CERN: Ευρωπαϊκος Οργανισμος Στοιχειωδών Σωματιδίων

Δροσος Γεωργιος · Σεπτέμβριος 12, 2022

Η ενεργειακή κρίση «συνθλίβει» τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο.

Το CERN εκπονεί σχέδια για αδρανοποίηση των πειραμάτων του, συμπεριλαμβανομένου του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), εφόσον η Γαλλία έχει έλλειψη ηλεκτρικής ενέργειας.

Η επιτάχυνση των σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες απαιτεί και υψηλές καταναλώσεις ηλεκτρικής ενέργειας

Ποιός τροφοδοτεί με ηλεκτρική ενέργεια το CERΝ;
Όταν ιδρύθηκε το CERN το 1954, ένας υποσταθμός στην ελβετική πλευρά ήταν αρκετός για να καλύψει τις ανάγκες του εργαστηρίου. Στη δεκαετία του 1970, εγκαταστάθηκε μια γραμμή για τη σύνδεση με ένα νέο υποσταθμό στη γαλλική πλευρά του CERN σε απόσταση 35 χιλιομέτρων. Ο γαλλικός σταθμός τροφοδοτεί τώρα όλο το CERN, και ο ελβετικός υποσταθμός διατηρείται ως μερικός εφεδρικός.Το CERN χρησιμοποιεί 1,3 τεραβατώρες ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως. Αυτή η ενέργεια είναι αρκετή για να τροφοδοτήσει 300.000 σπίτια επί έναν ολόκληρο χρόνο. Στην αιχμή της κατανάλωσης, συνήθως από τον Μάιο έως τα μέσα Δεκεμβρίου, το CERN χρησιμοποιεί περίπου 200 μεγαβάτ, που είναι περίπου το ένα τρίτο της ποσότητας ενέργειας που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία της κοντινής πόλης Γενεύης στην Ελβετία. Ο LHC λειτουργεί κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου του έτους, επιταχύνοντας πρωτόνια σχεδόν μέχρι την ταχύτητα του φωτός. Η κατανάλωση ρεύματος του CERN πέφτει σε περίπου στα 80 μεγαβάτ κατά τους χειμερινούς μήνες.Σύμφωνα με άρθρο της Wall Street Journal ‘Europe’s Energy Crunch Squeezes World’s Largest Particle Collider’, η οικονομία στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας που επιβάλλεται σε όλη την Ευρώπη, θα επιβληθεί και στον μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN.Ο LHC που άρχισε να επαναλειτουργεί τον περασμένο Ιούλιο μετά από κάποια χρόνια αναβαθμίσεων, είναι ο μεγαλύτερος καταναλωτής ενέργειας στο CERN. Μεγάλο μέρος αυτής της ενέργειας χρησιμοποιείται για ψύξη στους 1,9 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, έτσι ώστε να μπορούν να λειτουργήσει η υπεραγωγιμότητα στους ισχυρούς μαγνήτες του.Ο LHC λειτουργει συνήθως 24 ώρες το 24ωρο, κάτι που είναι απαραίτητο για τη δημιουργία επαρκών συγκρούσεων σωμαριδίων που απαιτούνται για την επιβεβαίωση ενός πειραματικού αποτελέσματος. Επομένως στην περίοδο ενεργειακής κρίσης το CERN θα προσπαθήσει αρχικά να περιορίσει άλλες λειτουργίες για να διατηρεί την ψύξη στον LHC, ώστε να μην χρειαστεί να τον απενεργοποιήσει – κάτι που είναι πολύ πιθανό, αν επερχόμενος χειμώνας είναι βαρύς.

https://physicsgg.me/2022/09/11/η-ενεργειακή-κρίση-συνθλίβει-τον-μεγ/

Δροσος Γεωργιος · Σεπτέμβριος 22, 2022

Από το σταφιδόψωμο στον ατομικό πυρήνα.

Η πειραματική διάταξη του πειράματος των Geiger–Marsden-Rutherford

Ο πρώτος που συνέλαβε μια πιο ακριβή εικόνα του ατόμου ήταν ο φυσικός Ernest Rutherford, ο οποίος το 1909 επέβλεψε το πασίγνωστο πλέον πείραμα των Geiger–Marsden με το φύλλο χρυσού. Το σπουδαίο αυτό πείραμα έδειξε ότι το άτομο είναι ως επί το πλείστον κενός χώρος, και ότι σχεδόν όλη μάζα του είναι συγκεντρωμένη στην κεντρική του περιοχή – στον ατομικό πυρήνα.

Γιατί ‘επέβλεψε’; Η ευρέως διαδεδομένη πρακτική να αποδίδονται αποκλειστικά σε έναν επιστήμονα τα εύσημα για κάποια ανακάλυψη, ενώ κατά κανόνα είναι προϊόν συλλογικής εργασίας, συχνά έχει ως αποτέλεσμα να παραβλέπουμε την συμμετοχή άλλων ερευνητών. Δεν θα πρέπει ποτέ να ξεχνάμε ότι «υπάρχουν δυο πράγματα που είναι πιο σημαντικά για έναν άνθρωπο από το σεξ και τα χρήματα – η αναγνώριση και η εκτίμηση»]

Ο J. J. Thomson τo 1904 υποστήριξε ότι η ύλη συνίσταται από τα άτομα, τα οποία είναι σφαιρικές ομογενείς κατανομές ηλεκτρικού φορτίου στις οποίες εμπεριέχονται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, όπως ακριβώς οι σταφίδες στην ζύμη του σταφιδόψωμου. Η ιδέα αυτή αντιμετωπίστηκε πολύ σοβαρά δεδομένου ότι ο J. J. Thomson ήταν αυτός που ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο (*). Ο πλέον άμεσος τρόπος για να ανακαλύψει κανείς τι βρίσκεται μέσα σε ένα σταφιδόφωμο είναι να βάλει το δάχτυλό του μέσα σ’ αυτό. Στην ουσία αυτό έκαναν με το πείραμά τους οι Geiger–Marsden σε συνεργασία με τον Rutherford, χρησιμοποιώντας μια δέσμη θετικά φορτισμένων σωματιδίων (σωματίδια α) τα οποία εξέπεμπε μια ραδιενεργός πηγή. Τα σωματίδια α είναι άτομα ηλίου $\left( ^{4}_{2}He \right)$ που έχουν απογυμνωθεί από τα ηλεκτρόνιά τους και έχουν ηλεκτρικό φορτίο Z=+2|e|, όπου e το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου. Η δέσμη των σωματιδίων α διερχόταν μέσα από ένα εξαιρετικά λεπτό φύλλο χρυσού.Δεδομένου ότι τα σωμάτια άλφα έχουν μάζα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ηλεκτρονίου, οι ερευνητές υπέθεταν με την προϋπόθεση της ύπαρξης μόνο ηλεκτρικών δυνάμεων, ότι η δέσμη θα περνούσε μέσα από την «ατομική ζύμη» απρόσκοπτα. Αν το μοντέλο του «σταφιδόψωμου» ήταν σωστό, τότε όλα τα σωματίδια α έπρεπε να περάσουν μέσα από το φύλλο και να εκτρέπονται από την αρχική τους πορεία κατά γωνίες $\phi \leq 1^{o}$ . Και όντως αυτό συνέβαινε – για το μεγαλύτερο ποσοστό των σωματιδίων.Όλα σχεδόν τα σωμάτια άλφα περνούσαν διαμέσου του φύλλου του χρυσού με ελάχιστη ή μηδενική εκτροπή, και προσέκρουαν στο φθορίζον πέτασμα που ήταν τοποθετημένο πίσω από το φύλλο παράγοντας μια φωτεινή λάμψη. Μερικά όμως, καθώς εξέρχονταν από τον στόχο χρυσού απέκλιναν από την ευθύγραμμη πορεία τους. Ορισμένα από αυτά εκτρέπονταν κατά αρκετά μεγάλες γωνίες, ενώ υπήρχε ακόμη και ένας μικρός αριθμός σωματίων που σκεδάζονταν προς τα πίσω!

geiger-marsden_experiment_expectation_an

Το μοντέλο ατόμου-σταφιδόψωμου του J. J. Thomson , σύμφωνα με το οποίο το θετικό ηλεκτρικό φορτίο κατανέμεται ομοιόμορφα σε μια σφαιρική περιοχή (δεν υπάρχουν πρωτόνια), μέσα στην οποία βρίσκονται τα ηλεκτρόνια, όπως οι σταφίδες στην ζύμη του σταφιδόψωμου. (α) Τα σωμάτια α αποκλίνουν κατά μικρή γωνία ή καθόλου σύμφωνα με το πρότυπο του Thomson. (β) Στο πείραμα Geiger–Marsden–Rutherford, ένας πολύ μικρός αριθμός σωματιδίων άλφα σκεδάζονταν προς τα πίσω! Το γεγονός αυτό οδήγησε τον Rutherford στο συμπέρασμα ότι στο κέντρο των ατόμων αυτών υπάρχει ένας μικρός και πολύ πυκνός πυρήνας

Τα σωμάτια που σκεδάζονταν προς τα πίσω θα έπρεπε να προσέκρουαν πάνω σε κάτι με σχετικά μεγάλη μάζα … Αλλά τι ήταν αυτό; Ο Rutherford κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα σωμάτια που δεν εκτρέπονταν διέρχονταν από περιοχές του φύλλου χρυσού που ήταν κατ’ ουσίαν κενός χώρος, ενώ τα ελάχιστα που εκτρέπονταν απωθούνταν από θετικά φορτισμένα κέντρα εξαιρετικά μεγάλης πυκνότητας. Συμπέρανε ότι κάθε άτομο θα πρέπει να περιέχει ένα τέτοιο κέντρο, το οποίο ονόμασε ατομικό πυρήνα. Ο πυρήνας υπολογίστηκε ότι ήταν περίπου το 1/10.000 του μεγέθους του ατόμου.

Τι συνέβαινε στο πείραμα	Τα συμπεράσματα του Rutherford
Τα περισσότερα σωματίδια άλφα διέρχονται μέσα από το φύλλο	Το άτομο συνίσταται κυρίως από κενό χώρο
Ένας μικρός αριθμός σωματιδίων άλφα απέκλιναν κατά μεγάλες γωνίες (> 4°) κατά την διέλευσή τους από το φύλλο	Υπάρχει συγκέντρωση θετικού φορτίου στο άτομο που απωθεί τα θετικά φορτισμένα σωματίδια άλφα
Ένας πολύ μικρός αριθμός σωματιδίων άλφα σκεδάζονταν προς τα πίσω	Το θετικό φορτίο και η μάζα του ατόμου συγκεντρώνονται σε έναν μικροσκοπικό όγκο (τον πυρήνα), που σημαίνει ότι η πιθανότητα τα σωμάτια α να συγκρουστούν κεντρικά (ή σχεδόν) με τους πυρήνες ήταν πολύ μικρή κι έτσι μόνο ένας πολύ μικρός αριθμός σωματιδίων α θα μπορούσε να σκεδαστεί προς τα πίσω.

Όπως δήλωσε αργότερα ο Rutherford, η ανακάλυψη ότι ορισμένα σωμάτια άλφα σκεδάζονταν προς τα πίσω ήταν το πιο εκπληκτικό γεγονός που είχε δει ποτέ στη ζωή του – ήταν εξίσου εκπληκτικό με το να πυροβολεί κανείς ένα φύλλο χαρτί με ένα βλήμα 15 ιντσών και το βλήμα να αναπηδά προς τα πίσω.

Η ανακάλυψη ότι ο πυρήνας συνίσταται από πρωτόνια και νετρόνια πραγματοποιήθηκε πολύ αργότερα και δεν έγινε από τον Rutherford.

https://physicsgg.me/2021/09/25/από-το-σταφιδόψωμο-στον-ατομικό-πυρήν/

Δροσος Γεωργιος · Οκτώβριος 14, 2022

Σκοτάδι και στην επιστήμη: Κλείνουν το CERN για εξοικονόμηση ενέργειας

Η γιγάντια εγκατάσταση κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα καταναλώνει έως και 120 megawatt ηλεκτρικής ισχύος.

Η ενεργειακή κρίση που προκαλεί ο πόλεμος στην Ουκρανία επηρεάζει ακόμα και το μεγαλύτερο και πιο περίπλοκο μηχάνημα του κόσμου.Για λόγους εξοικονόμησης ενέργειας, το CERN αποφάσισε να κλείσει νωρίτερα τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) για την ετήσια περίοδο συντήρησης, αναφέρει ο δικτυακός τόπος του Nature.Ο LHC, εγκατεστημένος σε μια κυκλική σήραγγα 27 χιλιομέτρων κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα, είναι εξαιρετικά ενεργοβόρος: καταναλώνει περίπου 120 megawatt ηλεκτρικής ενέργειας -όσο μια μικρή πόλη- από τα οποία τα 27 MW αφορούν το σύστημα ψύξης για τους χιλιάδες υπεραγώγιμους μαγνήτες που λειτουργούν κατά μήκος της σήραγγας.Η δε συνολική κατανάλωση του CERN φτάνει τις 1,3 terawatt hours, περίπου το μισό σε σχέση με την γειτονική πόλη της Γενεύης.Η απόφαση για πρόωρο κλείσιμο ελήφθη στις 26 Σεπτεμβρίου από το διοικητικό συμβούλιο του εργαστηρίου πυρηνικής ενέργειας, έπειτα από αίτημα της γαλλικής εταιρείας ενέργειας EDF για μείωση της κατανάλωσης.Η περίοδος συντήρησης θα αρχίσει στις 28 Νοεμβρίου, δύο εβδομάδες νωρίτερα από ό,τι είχε αρχικά προγραμματιστεί, ενώ για το 2023 η κατανάλωση ενέργειας προβλέπεται να μειωθεί κατά 20%, κάτι που θα επιτευχθεί κυρίως μέσω της επίσπευσης της επόμενης περιόδου συντήρησης στα μέσα Νοεμβρίου 2023.Σύμφωνα πάντως με τον Γιοακίμ Μνιχ, διευθυντή Έρευνας και Υπολογιστικής στο CERN, βασικό κίνητρο για την απόφαση δεν ήταν το κόστος του ηλεκτρικού ρεύματος αλλά η ανάγκη εξοικονόμησης φυσικού αερίου για τις ανάγκες των νοικοκυριών.«Δεν είναι κάτι που κάνουμε κυρίως για εξοικονόμηση χρημάτων, αλλά ως ένδειξη κοινωνικής ευθύνης» είπε.Εκτίμησε δε ότι η επίπτωση στα προγραμματισμένα επιστημονικά πειράματα θα είναι σχετικά μικρή.Εκτός από το εσπευσμένο κλείσιμο του LHC για φέτος, το CERN λαμβάνει κι άλλα μέτρα εξοικονόμησης. Μεταξύ άλλων κλείνει τον φωτισμό των εσωτερικών δρόμων τις νυχτερινές ώρες και αναβάλλει για μια εβδομάδα την έναρξη λειτουργίας των συστημάτων θέρμανσης.

https://www.tanea.gr/2022/10/13/science-technology/skotadi-kai-stin-epistimi-kleinoun-to-cern-gia-eksoikonomisi-energeias/

Δροσος Γεωργιος · Οκτώβριος 18, 2022

Γιατί οι επιταχυντές σωματιδίων είναι τα ισχυρότερα μικροσκόπια.

Το ανθρώπινο μάτι έχει πολύ περιορισμένη γωνιακή ανάλυση. Δεν μπορούμε να ξεχωρίσουμε σημεία που απέχουν μεταξύ τους γωνιακή απόσταση 0,02 μοίρες. Αυτό αντιστοιχεί σε παρατήρηση δυο σημείων από απόσταση 30 cm μπροστά από τα μάτια μας που απέχουν μεταξύ τους απόσταση 0,1 mm – περίπου όσο το το πάχος μιας τρίχας. Σε μικρότερη απόσταση τα δυο σημεία επικαλύπτονται.

Τα καλύτερα οπτικά μικροσκόπια μπορούν να διακρίνουν δυο σημεία που απέχουν απόσταση ~200 nm= 2×10^-7m, επιτυγχάνοντας έτσι περίπου 1000 φορές καλύτερη ανάλυση από το ανθρώπινο μάτι. Με αυτά μπορούμε να δούμε ακόμα και στο εσωτερικό των κυττάρων:

Υπάρχει όμως ένα όριο. Το μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι 700-380 nm. Η καλύτερη δυνατή διακριτική ικανότητα R είναι περίπου το μισό του μήκους κύματος λ (παρότι υπάρχουν σύγχρονες τεχνικές για να ξεπεραστεί αυτό το όριο κατά περίπου μια τάξη μεγέθους).

Η διακριτική ικανότητα ενός οπτικού μικροσκοπίου δίνεται από την σχέση:
$R =0,61 \dfrac{\lambda}{n \sin \theta}$
όπου λ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που χρησιμοποιούμε
n o δείκτης διάθλασης του μέσου μεταξύ αντικειμένου παρατήρησης και φακού
φ=το μισό της γωνίας του φωτεινού κώνου που δέχεται ο φακός.
Το γινόμενο n sinφ λέγεται αριθμητικό άνοιγμα (ΝΑ) του φακού και εξαρτάται από την κατασκευή του φακού.

Κι εδώ έρχεται η κβαντική φυσική για να μας βγάλει από το αδιέξοδο των οπτικών μικροσκοπίων. Κάθε σωματίδιο αντιστοιχεί σε ένα κύμα με μήκος κύματος λ που ορίζεται από την εξίσωση de Broglie,

$\lambda =\dfrac{h}{p}$

όπου h είναι σταθερά Planck και p είναι η ορμή του σωματιδίου. Αν επιταχύνουμε, για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο, θα μειώσουμε το μήκος κύματός του και τελικά θα έχουμε καλύτερη διακριτική ικανότητα από ό,τι μπορεί να πετύχει οποιοδήποτε οπτικό μικροσκόπιο.

Πράγματι, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μπορούν να διακρίνουν αντικείμενα μεγέθους 10^-10 m, στο μέγεθος ενός ατόμου!

Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν υψηλή τάση για να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια, επιτυγχάνοντας έτσι τα ζητούμενα μικρά μήκη κύματος. To γεγονός ότι μικρότερο μήκος κύματος αντιστοιχεί σε υψηλότερη τάση, έχει ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια εξαιρετικά υψηλής τάσης να είναι τεράστια:

Όμως το μήκος κύματος μπορεί να μικρύνει κι άλλο αρκεί να αυξηθεί η ορμή – και κατά συνέπεια και η διακριτική ικανότητα.Η επίτευξη πολύ μεγαλύτερης ορμής σωματιδίων, που να διασπά σωματίδια μικρότερα από ένα άτομο, απαιτεί έναν μεγάλο επιταχυντή σωματιδίων.

Μια άποψη του γραμμικού επιταχυντή στο Stanford (SLAC)

Στους επιταχυντές σωματιδίων μπορεί να συγκρούεται μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων με έναν σταθερό στόχο ή με μια παρόμοια δέσμη σωματιδίων. Έτσι, οι επιταχυντές είναι μια άμεση γενίκευση των μικροσκοπίων με εξαιρετικά μεγάλη διακριτική ικανότητα. Μέχρι σήμερα μπορούν να διερευνήσουν 7 έως 8 τάξεις μεγέθους πέραν του καλύτερου ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.

Τα θραύσματα των συγκρούσεων που καταγράφουν οι ανιχνευτές μας οδηγούν στην αναπαράσταση του πώς είναι ο κόσμος σε αυτές τις μικρότερες κλίμακες, με τον ίδιο τρόπο που ανιχνεύουν τα μάτια μας το ανακλώμενο φως από ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, επιτρέποντας στον εγκέφαλό μας να αντιληφθεί μια εικόνα.

Αλλα και οι τωρινοί επιταχυντές περιορίζονται από το μέγεθος και την ισχύ των ηλεκτρομαγνητών τους. Δεν έχουμε εξαντλήσει ακόμη αυτήν την τεχνολογία, αλλά υπάρχουν νέες τεχνολογίες, όπως οι επιταχυντές πλάσματος. Aν καταφέρουμε να εφαρμόσουμε την τεχνολογία αυτή, τότε στο μέλλον τα καλύτερα μικροσκόπια θα μας φαίνονται ‘εξωγήινα’:

https://physicsgg.me/2022/10/17/γιατί-οι-επιταχυντές-σωματιδίων-είνα/

Δροσος Γεωργιος · Δεκέμβριος 23, 2022

Το πείραμα LHCb έβαλε τα λεπτόνια σε μια σειρά.

Η πρόσφατη ανάλυση του πειράματος LHCb, συγκρίνει τις διασπάσεις του Β-μεσονίου: B → Ke⁺e^– και B → Kμ⁺μ^– . Η πρώτη διάσπαση δίνει ένα καόνιο και ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου και η δεύτερη καόνιο με ζεύγος μιονίου-αντιμιονίου. Το μιόνιο είναι στοχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο αλλά περίπου 200 φορές βαρύτερο. Το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, μαζί με ένα τρίτο σωματίδιο το ταυ, ανήκουν στην κατηγορία των σωματιδίων που ονομάζονται λεπτόνια και η διαφορά μεταξύ τους αναφέρεται ως «γεύσεις». Το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των σωματιδίων προβλέπει ότι οι διασπάσεις που περιλαμβάνουν διαφορετικές γεύσεις λεπτονίων, όπως αυτή της μελέτης LHCb, θα πρέπει να εμφανίζονται με την ίδια πιθανότητα. Το χαρακτηριστικό αυτό είναι γνωστό ως παγκοσμιότητα της λεπτονικής γεύσης και μετράται από την αναλογία μεταξύ των πιθανοτήτων διάσπασης που συμβολίζεται με R(Κ) και R(Κ*) όταν το καόνιο που προκύπτει είναι διεγερμένο. Στην αποδεκτή μέχρι σήμερα θεωρία ο λόγος αυτός πρέπει να είναι ισούται με την μονάδα. Στο διάγραμμα βλέπουμε τις τελικές μετρούμενες τιμές των μεγεθών R(K) και R(Κ*) να μπαίνουν «σε μια ευθεία» που τέμνει τον κατακόρυφο άξονα στην τιμή 1.

Το πείραμα LHCb πριν από λίγες ημέρες παρουσίασε μια νέα ανάλυση των πειραματικών δεδομένων από τις σπάνιες διασπάσεις Β-μεσονίων, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της παγκοσμιότητας της λεπτονικής γεύσης, ένα βασικό χαρακτηριστικό του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων. Προηγούμενες μελέτες αυτών των διασπάσεων είχαν υποδείξει πιθανές παραβιάσεις του Καθιερωμένου Προτύπου, όμως τα αποτελέσματα της πρόσφατης και πληρέστερης ανάλυσης του συνόλου των δεδομένων του πειράματος LHCb συμφωνούν με την θεωρία.Ένα κεντρικό μυστήριο της σωματιδιακής φυσικής είναι το γιατί από τα 12 στοιχειώδη σωματίδια, κουάρκ και λεπτόνια, τα διατεταγμένα ζεύγη στις τρεις γενιές, είναι πανομοιότυπα σε όλα εκτός από τη μάζα. Η παγκοσμιότητα της λεπτονικής γεύσης σημαίνει ότι για τα βαθμωτά μποζόνια του Καθιερωμένου Προτύπου δεν έχει σημασία σε ποια γενιά ανήκει ένα φορτισμένο λεπτόνιο, που σημαίνει ότι ορισμένες διασπάσεις αδρονίων προς λεπτόνια διαφορετικών γενιών θα πρέπει να πραγματοποιούνται με τους ίδιους ρυθμούς. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια εμφανίστηκαν πειραματικά δεδομένα που έδειχναν πιθανή παραβίαση της παγκοσμιότητας λεπτονικής γεύσης σε διασπάσεις B-μεσονίων που περιλαμβάνουν θεμελιώδεις μεταβάσεις του b (ομορφιά ή πυθμένας) κουαρκ προς s (παράξενο) κουάρκ, όπως η διάσπαση ενός μεσονίου B σε ένα K μεσόνιο. Τέτοιες διεργασίες προσεγγίζονται από την θεωρία του Καθιερωμένου Προτύπου μέσω διαγραμμάτων υψηλότερης τάξης, ώστε να ανιχνευτούν πιθανά νέα σωματίδια.

standard-model-of-elementary-particles-w

Ένας ισχυρός έλεγχος της παγκοσμιότητας της λεπτονικής γεύσης είναι η μέτρηση των σχετικών ρυθμών των διασπάσεων B→Kμ⁺μ^– και B→Ke⁺e^–, μια ποσότητα που ονομάζεται R(K), και ο ισοδύναμος ρυθμός διασπάσεων που περιλαμβάνουν ένα διεγερμένο καόνιο, R(K*). Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει ότι οι λόγοι αυτοί θα είναι ίσοι με τη μονάδα όταν ληφθούν υπόψη οι διαφορές στις μάζες των λεπτονίων. Το 2021, με βάση τα δεδομένα που είχαν συλλεχθεί μέχρι τότε, το LHCb βρήκε πως το R(K) βρίσκεται κάτω από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου με ακρίβεια 3,1 σίγμα. Για το R(K*), οι μετρήσεις μέχρι το 2017 ήταν συνεπείς με το Καθιερωμένο Πρότυπο με ακρίβεια στο επίπεδο 2–2,5 σίγμα.Οι παλαιότερες ενδείξεις του πειράματος LHCb για παραβίαση της θεωρίας προκάλεσαν τεράστιο ενθουσιασμό και ελπίδες για νέα φυσική. Όμως η ανάλυση του συνόλου των δεδομένων έδειξε ότι οι τιμές των R(K) και R(K*) τείνουν προς τη μονάδα και είναι συμβατές με το Καθιερωμένο Πρότυπο με ακρίβεια 1 σίγμα. Έτσι, ‘διαγράφονται’ οι προηγούμενες δημοσιεύσεις του LHCb για το ζήτημα αυτό. Αναμένεται πως οι νέες συλλογές πειραματικών δεδομένων θα δώσουν καλύτερη στατιστική ακρίβεια στο τελικό αποτέλεσμα.

https://physicsgg.me/2022/12/22/το-πείραμα-lhcb-έβαλε-τα-λεπτόνια-σε-μια-σε/

Δροσος Γεωργιος · Ιανουάριος 5, 2023

Διερευνώντας την πυρηνική άλω.

Μια νέα ερμηνεία των σχετικά υψηλών ενεργών διατομών σύντηξης πυρήνων με άλω

Οι πυρήνες με άλω διαθέτουν ένα πυκνό κέντρο γύρω από το οποίο περιφέρονται ένα ή δύο νουκλεόνια (πρωτόνια ή νετρόνια)

Ορισμένοι πυρήνες διαθέτουν μια «άλω» που αποτελείται από ένα ή δύο νουκλεόνια που περιφέρονται σε απόσταση από το κέντρο του πυρήνα. Τέτοιοι πυρήνες έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα – ή μεγαλύτερη «ενεργό διατομή» – να αλληλεπιδράσουν με άλλους πυρήνες διαμέσου αντιδράσεων σύντηξης. Για να κατανοήσουν τους παράγοντες πίσω από αυτή την αυξημένη ενεργό διατομή, ο Xiang-Xiang Sun από το Πανεπιστήμιο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ως πρότυπο τον πυρήνα με άλω, τον άνθρακα-15, και τον συνέκριναν με έναν πυρήνα χωρίς άλω, τον άνθρακα-14. Διαπίστωσαν ότι δύο παράγοντες παίζουν ρόλο στην αυξημένη πιθανότητα αντίδρασης του άνθρακα-15: το μεγάλο του μέγεθος και το παραμορφωμένο σχήμα του.Οι πυρήνες με την ξεχωριστή δομή της άλω προσφέρουν στους φυσικούς ένα πεδίο ελέγχου θεωρητικών μοντέλων της πυρηνικής φυσικής. Σύμφωνα με τον Sun: «Η άλως αντιπροσωπεύει μια από τις πιο εντυπωσιακές εξωτικές πυρηνικές ιδιότητες». Οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν αυτούς τους βραχύβιους πυρήνες σε εργαστήρια και να μελετήσουν τις αλληλεπιδράσεις τους με άλλους πυρήνες. Για παράδειγμα, έχουν δημιουργηθεί δέσμες πυρήνων άνθρακα-15 και εκτοξεύονται σε στόχους θορίου-232. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο άνθρακας-15 είναι 2 έως 5 φορές πιο πιθανό να συντηχθεί με θόριο σε σχέση με τον άνθρακα-14, σε ενέργειες κάτω από το ηλεκτροστατικό φράγμα Coulomb.

Ο Sun και οι συνεργάτες του εξηγούν την μεγάλη ενεργό διατομή της σύντηξης του άνθρακα-15, χρησιμοποιώντας το μοντέλο TDDFT(time dependent density functional theory), το οποίο εξετάζει την συλλογική κίνηση των αντιδρώντων πυρήνων. Η άλως του πυρήνα του άνθρακα-15 έχει ένα μόνο νετρόνιο που περιστρέφεται γύρω από το πυρηνικό κέντρο που μοιάζει με άνθρακα 14. Το εκτεταμένο μέγεθος της άλω οδηγεί σε μικρότερη ηλεκτροστατική άπωση, που σημαίνει ότι ο άνθρακας-15 μπορεί να διεισδύσει βαθύτερα σε έναν πυρήνα στόχο σε σχέση με τον άνθρακα-14. Ωστόσο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι έπρεπε να συμπεριλάβουν επίσης επιδράσεις που εξαρτώνται από την κατεύθυνση που οφείλονται στο επίμηκες σχήμα του άνθρακα-15. Οι ερευνητές λένε ότι η μέθοδός τους μπορεί να επεκταθεί και σε άλλους πυρήνες που διαθέτουν άλω με περισσότερα από ένα νουκλεόνια σε τροχιά.

https://physicsgg.me/2023/01/05/διερευνώντας-την-πυρηνική-άλω/

Δροσος Γεωργιος · Ιανουάριος 30, 2023

Νετρίνα, φως και ύλη.

Στο τεύχος του Δεκεμβρίου 2022 του έγκριτου επιστημονικού περιοδικού Axioms

https://www.mdpi.com/2075-1680/11/11/657

δημοσιεύτηκε η ερευνητική εργασία με τίτλο «Υπολογισμός της μάζας του Δευτερίου και ενοποίηση των Βαρυτικών, Ισχυρών και Πυρηνικών Δυνάμεων με το μοντέλο των περιστρεφομένων νετρίνων» με συγγραφείς τους Κώστα Βαγενά (Ακαδημία Αθηνών και Π. Πατρών), Διονύση Τσούση (Stanford University και Π. Πατρών), Δημήτρη Γρηγορίου (Π. Πατρών), Ηλία Αϋφαντή (ΑΠΘ, Michigan Technological Institute και Friedrich-Alexander University) και Κώστα Παρίση (ΑΠΘ).

Θεμελιακά σωματίδια και δυνάμεις

Το ερώτημα του αριθμού των ειδών των θεμελιακών (άτμητων) σωματιδίων του σύμπαντος ανάγεται στα χρόνια του Δημόκριτου, που πρώτος εισήγαγε τον όρο «άτομο». Η ιδέα του ατόμου επανήλθε στις αρχές του 20ού αιώνα και σταδιακά άρχισαν να θεωρούνται ως θεμελιακά σωματίδια τα συστατικά του ατόμου, δηλαδή τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια.Σήμερα, στο πλαίσιο του καθιερωμένου προτύπου (Standard model, SM) θεμελιακά σωματίδια θεωρούνται, εκτός από τα ηλεκτρόνια/ποζιτρόνια (αντισωμάτια των ηλεκτρονίων), και τα κουάρκς (quarks), τα οποία quarks συνθέτουν τα βασικά συστατικά των πυρήνων, δηλαδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Επανάσταση στο θέμα των θεμελιακών σωματιδίων έφερε η εικασία (Pauli, 1937) για την ύπαρξη αγνώστων σωματιδίων πολύ μικρής μάζας και η πειραματική ανακάλυψη (Reines and Cowan, 1952) των νετρίνων, που είναι τα πολυπληθέστερα σωματίδια του σύμπαντος και έχουν χιλιάδες δισεκατομμύρια φορές μικρότερη μάζα από τα νετρόνια και τα πρωτόνια.Παράλληλα με την αναζήτηση των θεμελιακών σωματιδίων, η συνένωση των Δυνάμεων αποτελούσε ανέκαθεν μια πρόκληση για τους Φυσικούς. Ηδη από τον 17ο αιώνα ο Νεύτων αντελήφθη ότι είναι η ίδια δύναμη (η βαρυτική) που περιγράφει την πτώση ενός μήλου στο έδαφος αλλά και την περιστροφή της Σελήνης γύρω από τη Γη. Τον 19ο αιώνα ο Maxwell έδειξε την ενοποίηση των ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων, ενώ τον 20ό αιώνα οι Weinberg, Salam και Glashow έδειξαν ότι οι Ηλεκτρομαγνητικές και Ασθενείς δυνάμεις συγκλίνουν στην ηλεκτροασθενή δύναμη.Τα τελευταία 50 χρόνια έχει γίνει ευρέως αποδεκτό το καθιερωμένο πρότυπο (Standard Model, SM) των θεμελιακών σωματιδίων, το οποίο περιγράφει ικανοποιητικά μια μεγάλη περιοχή πειραματικών παρατηρήσεων, αλλά περιέχει και έναν μεγάλο αριθμό, περίπου είκοσι πέντε, αγνώστων και προσαρμοζομένων παραμέτρων, κάτι που αποτελεί σημαντική αδυναμία του μοντέλου. Το SM παραμελεί τα νετρίνα, καθώς και τη Βαρύτητα και τη Σχετικότητα που είναι σημαντικότατες και πειραματικά πλήρως αποδεδειγμένες θεωρίες.

Η επανάσταση των νετρίνων και της σχετικότητας

Η μάζα των πολυπληθέστατων και πανταχού παρόντων νετρίνων μετρήθηκε για πρώτη φορά από τους Kajita και McDonald, οι οποίοι σχεδόν αμέσως (2015) έλαβαν το βραβείο Nobel. Υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων με πολύ μικρές μάζες m₁(≈1 meV/c²), m₂(≈7 meV/c²) και m₃(≈44 meV/c²). Λόγω των πολύ μικρών τους μαζών τα νετρίνα επιταχύνονται εύκολα σε σχετικιστικές ταχύτητες, πολύ κοντά δηλαδή στην ταχύτητα του φωτός c (300.000 km/s). Ομως η θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας του Einstein υπαγορεύει ότι έτσι αυξάνεται δραματικά η μάζα τους και συνεπώς και η αμοιβαία βαρυτική τους έλξη. Η έλξη αυτή περιγράφεται στο μοντέλο μας από τον νόμο του Νεύτωνα, χρησιμοποιώντας αντί για τις μάζες ηρεμίας, τις βαρυτικές μάζες (που είναι ίσες με τις αδρανειακές μάζες) που υπολογίζονται από την Ειδική Σχετικότητα. Αυτή είναι η κεντρική ιδέα του μοντέλου των περιστρεφομένων λεπτονίων (Rotating Lepton Model, RLM) που αναπτύχθηκε αρχικά στην Πάτρα από τους Βαγενά και Σουεντίε το 2012 και περιγράφηκε την ίδια χρονιά σε ένα βιβλίο της Springer με τίτλο «Gravity, Special Relativity and the Strong Force».Επίσης το 2022 δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Journal of Physical Chemistry» εργασία των Βαγενά, Τσούση και Γρηγορίου που αποδεικνύει ότι η μικρότερη μάζα (m₁) των νετρίνων καθορίζει την ταχύτητα του φωτός στο «κενό» με βάση την απλή εξίσωση Newton-Laplace, κάτι που υποδηλοί ότι η διάδοση του φωτός οφείλεται σε ταλαντώσεις των πανταχού παρόντων στο σύμπαν μας ελεύθερων νετρίνων.

To μοντέλο των περιστρεφομένων λεπτονίων (RLM)

Tο μοντέλο εξετάζει τρία νετρίνα που έλκονται βαρυτικά και περιστρέφονται σε κυκλική τροχιά. Σύμφωνα με την Ειδική Σχετικότητα, η κεντρομόλος δύναμη που ασκείται σε κάθε ένα από αυτά δίνεται από τον τύπο του Νεύτωνα και είναι ανάλογη προς τον παράγοντα γ του Lorentz, όπου v η ταχυτητα περιστροφής και c η ταχύτητα του φωτός. Η Ειδική Σχετικότητα υπαγορεύει ότι η αδρανειακή και άρα και η ίση της βαρυτική μάζα κάθε νετρίνου ισούται με όπου m_o η μάζα ηρεμίας των νετρίνων. Επομένως προκύπτει μια εξίσωση που δίνει τη βαρυτική έλξη που ασκείται σε κάθε ένα από τα περιστρεφόμενα νετρίνα. Η δεύτερη εξίσωση που απαιτείται για την εύρεση των αγνώστων είναι η εξίσωση De Broglie της Κβαντομηχανικής που υπαγορεύει ότι η στροφορμή κάθε περιστρεφόμενου σωματιδίου, , ισούται με τη σταθερά του Planck . Ταυτόχρονη επίλυση των δύο εξισώσεων επιτρέπει υπολογισμό της ακτίνας περιστροφής και του παράγοντα του Lorentz και δείχνει ότι η ταχύτητα περιστροφής είναι σχεδόν ίση με την ταχύτητα του φωτός. Ακόμη οδηγούμεθα στον υπολογισμό της μάζας του συνθέτου σωματιδίου που είναι σε εκπληκτική συμφωνία με την πειραματική μάζα του νετρονίου, η οποία είναι σχεδόν 10 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του νετρίνου.

Συμπεράσματα

Συμπερασματικά το νέο μοντέλο (RLM) που δεν περιέχει καμία άγνωστη σταθερά και συνδυάζει τον βαρυτικό νόμο του Νεύτωνα, την Ειδική Σχετικότητα του Einstein και την κβαντομηχανική εξίσωση του De Broglie, δηλαδή τρεις πλήρως αποδεδειγμένες πειραματικά και θεωρητικά εξισώσεις, αποδεικνύει ότι τα κουάρκς είναι περιστρεφόμενα ταχύτατα (σχετικιστικά) νετρίνα και οδηγεί στην ενοποίηση των βαρυτικών, ισχυρών και ασθενών δυνάμεων. Επίσης, επιτρέπει τον υπολογισμό των μαζών των συνθέτων σωματιδίων (πρωτονίων, νετρονίων, μποζονίων) με ακρίβεια της τάξης του 2%, κάτι που δεν είναι δυνατόν με το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard model, SM). Βλέπουμε λοιπόν ότι το RLM, επεκτείνοντας τις σκέψεις του Νεύτωνα, δείχνει ότι η ίδια δύναμη, η Βαρύτητα, που κάνει τα μήλα να πέφτουν, είναι αυτή που δημιούργησε τα νετρόνια, πρωτόνια, τους πυρήνες των ατόμων και τον κόσμο που γνωρίζουμε. Επίσης το RLΜ επιβεβαιώνει με τον πιο εμφατικό τρόπο τη ρήση του Πλάτωνα στον Τίμαιο «Τα πάντα εκ τριγώνων συνέστηκεν».

*Ο κ. Κώστας Βαγενάς είναι ακαδημαϊκός, διεθνές μέλος της Ακαδημίας Μηχανικών των ΗΠΑ, ομότιμος καθηγητής του Πανεπιστημίου Πατρών και πρώην καθηγητής Φυσικοχημείας και Χημικής Μηχανικής των Πανεπιστημίων Yale και ΜΙΤ.

https://www.in.gr/2023/01/30/b-science/gnomes/netrina-fos-kai-yli/

Δροσος Γεωργιος · Φεβρουάριος 5, 2023

Ταξίδι στο κέντρο του πρωτονίου

Στο εσωτερικό του πρωτονίου πρωταγωνιστούν τρια κουάρκ, που ονομάζονται «άνω ή u» και έχουν φορτία (+2/3) το καθένα και ένα «κάτω ή d» με φορτίο (-1/3)

Πρόσφατα ευρήματα αλλάζουν τα δεδομένα για το πρωτόνιο, το οποίο αναδεικνύεται στο πολυπλοκότερο ίσως υποατομικό σωματίδιο. Tο πώς θα αλλάξει η Φυσική υπό το φως των νέων ευρημάτων θα φανεί στο μέλλον

Ο χρόνος που φεύγει ήταν πολύ γόνιμος σε ό,τι αφορά το πρωτόνιο. Οι έρευνες που γίνονται σχετικά με τη δομή ενός από τα πλέον σταθερά αλλά και πολύπλοκα σωματίδια στο Σύμπαν ήταν εντατικές και αποδοτικές. Δομή και συνεπακόλουθη συμπεριφορά, παρ’ όλες τις δυσκολίες που παρουσιάζουν, φωτίστηκαν περισσότερο, ανοίγοντας νέους ορίζοντες στην κβαντική φυσική.Μα δεν είναι το πρωτόνιο ένα απλό θετικά φορτισμένο σωματίδιο στον πυρήνα των ατόμων, όπως μάθαμε στο Λύκειο; Δεν το αποτελούν τρία κουάρκ, όπως μπορεί να το παρουσιάζουν κάπως πιο αναλυτικά στο Πανεπιστήμιο; Δεν είναι αυτά τα τρία κουάρκ που κινούνται με δαιμονιώδη τρόπο και συνολικά η μάζα του είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα των μαζών των τριών συστατικών του, όπως περιγράφεται στο Διαδίκτυο;Από το αρκετά απλό πρότυπο δομής που περιέγραψαν το 1964 οι Γκελ-Μαν και Τζβάιγκ με τρία κουάρκ, το πλάνο έχει ανοίξει. «Βλέπουμε» πλέον πράγματα (αλλά όχι θαύματα) στο εσωτερικό του πρωτονίου, ενός σωματιδίου με διαστάσεις μικρότερες από 1 χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου (<10^-15m). Πρωταγωνιστούν εκεί δύο κουάρκ, που ονομάζονται «άνω ή u» και έχουν φορτία (+2/3) το καθένα και ένα «κάτω ή d» με φορτίο (-1/3). Αλλά στη σκηνή ανεβαίνουν πολύ περισσότεροι όπως θα δούμε.

Το μέγεθος ενός πρωτονίου δεν ξεπερνά το ένα χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου!

Παρατηρώντας μια έξαρση

Στο περιοδικό «Nature», διάσημο για την αυστηρότητά του, εμφανίστηκε στις 19 Οκτωβρίου εργασία με τίτλο: «Measured proton electromagnetic structure deviates from theoretical predictions». Δύσκολο αν δεν είσαι ειδικός να καταλάβεις τη σημασία της. Η απόκλιση που αναφέρεται στον τίτλο της εργασίας έχει σχέση με την πολωσιμότητα του πρωτονίου, στην ουσία με το πόσο εύκολα παραμορφώνεται όταν βρεθεί μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο. Στις σχετικές γραφικές παραστάσεις που προέκυψαν από την απεικόνιση των μετρήσεων σε κατάλληλες γραφικές παραστάσεις εμφανίζεται κάπου κάποια «έξαρση» της καμπύλης, ένα απροσδόκητο μικρό ξεπέταγμα προς τα επάνω, που όμως αν δεν είναι μέσα στα όρια του στατιστικού λάθους μπορεί να σημαίνει πολλά.

Αναπάντητα ερωτήματα

Πόσο πολλά; Το ΒΗΜΑ-Science, σε σχέση με τα όσα γίνονται αυτή τη στιγμή επάνω στη δομή του πρωτονίου, ζήτησε τη βοήθεια του κ. Γιώργου Λάσκαρη, πυρηνικού πειραματικού φυσικού, διδάκτορα του Πανεπιστημίου Ντιουκ και μεταδιδακτορικού ερευνητή στο Στάνφορντ και στο ΜΙΤ. Πρώτα από όλα ο κ. Λάσκαρης μας επιβεβαίωσε το ότι για το πρωτόνιο ακόμη υπάρχουν πολλά ανοιχτά θέματα. Γιατί έχει αυτή τη μάζα; Πώς γίνεται όταν τα κουάρκ που το αποτελούν είναι μεταξύ 2 και 5 MeV/c²(οι μάζες μετριούνται σε ισοδύναμα ενέργειας με βάση τη σχέση ισοδυναμίας μάζας – ενέργειας του Αϊνστάιν) η συνολική μάζα του, μετρημένη με ακρίβεια, να βγαίνει στα 938 MeV/c²; Τι σωματίδια βρίσκονται και κινούνται κάθε στιγμή στο εσωτερικό του; Ποια ακριβώς είναι η ακτίνα του πρωτονίου; Με το τελευταίο αυτό να είναι ένα ακόμη ερώτημα που απασχολεί εδώ και δεκαετίες τη διεθνή επιστημονική κοινότητα, όντας γνωστό και ως ο γρίφος της ακτίνας του πρωτονίου (Proton Radius Puzzle).

Πειραματική προσέγγιση

Στην ερώτηση για το πώς καταλήγουμε να «βλέπουμε» μέσα στο πρωτόνιο αναφέρει τα εξής: Για να πάρουμε μια «φωτογραφία» από το εσωτερικό του πρωτονίου (που δεν είναι βέβαια φωτογραφία αλλά μετρήσεις της ορμής των σωματιδίων μέσα στο πρωτόνιο και απεικόνιση μέσω γραφικών παραστάσεων) χρειαζόμαστε άλλα σωματίδια-βλήματα τα οποία επιταχύνονται μέσω επιταχυντών σε υψηλές ενέργειες. Στο εσωτερικό του πρωτονίου βρίσκονται τρία κουάρκ. Συνδεόμενα μεταξύ τους πολύ ισχυρά λόγω του αέναου πήγαινε και έλα άλλων σωματιδίων που ονομάζονται γκλουόνια. Τα γκλουόνια λειτουργούν ως «κόλλα» και υλοποιούν τη λεγόμενη ισχυρή αλληλεπίδραση. Χαρακτηριστικό της ισχυρής αλληλεπίδρασης είναι ότι αντίθετα με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που εξασθενεί όσο πιο μακριά βρίσκονται τα φορτισμένα σωματίδια, αυτή η δύναμη γίνεται ισχυρότερη, μέχρι ένα σημείο, όσο τα σωματίδια απομακρύνονται μεταξύ τους.

«Μετρώντας» τον χαμό!

Στην προαναφερόμενη μέτρηση χρησιμοποιήθηκαν ως σωματίδια-βλήματα ηλεκτρόνια που διεισδύουν στο εσωτερικό του πρωτονίου. Εκεί συγκρούονται με τα κουάρκ μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται Virtual Compton Scattering. Τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται, δηλαδή εκτρέπονται από το εσωτερικό του πρωτονίου, και οι ερευνητές είναι πλέον σε θέση να μετρήσουν με αρκετή ακρίβεια την ορμή των σκεδαζόμενων σωματιδίων, αποδίδοντας έτσι μια λεπτομερέστατη εικόνα της εσωτερικής δομής του πρωτονίου.Από αυτά τα αποτελέσματα προκύπτουν καμπύλες γνωστές ως PDFs (Parton Distribution Functions) ή αλλιώς Κατανομές των Μερών που αποτελούν το πρωτόνιο (τον όρο «Parton» καθιέρωσε ο Richard Feynman και προκύπτει από τη λέξη part=μέρος). Εδώ partons είναι οποιαδήποτε σωματίδια συγκροτούν το πρωτόνιο. Και έχει διαπιστωθεί και από προηγούμενες εργασίες και άλλες του 2022 ότι στο εσωτερικό του πρωτονίου γίνεται χαμός!Βρίσκοντας την ορμή και την τροχιά των σκεδαζόμενων ηλεκτρονίων μπορεί να προκύψει το αν το ηλεκτρόνιο έπεσε επάνω σε κουάρκ που του «χρεώνεται» μεγάλο ποσοστό της συνολικής ορμής του πρωτονίου ή σε κάποιο θραύσμα. Με τη βοήθεια πολυάριθμων κρούσεων επιτυγχάνεται μια «απογραφή» και βγαίνει ένα συμπέρασμα για το αν η συνολική ορμή του πρωτονίου οφείλεται σε μικρό αριθμό κουάρκ ή σε πολύ μεγαλύτερο.

Ο ρόλος
των γκλουονίων

Αλλά μια στιγμή, δεν έχουμε καταλήξει ότι τρία μόνο είναι τα κουάρκ που συγκροτούν το πρωτόνιο; Ναι, τόσα βρίσκουμε όταν στέλνουμε υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια στο εσωτερικό του. Τα γκλουόνια όμως, μέσα στην αέναη και ακανόνιστη κίνησή τους, αποδεικνύεται και θεωρητικά (Χρωμοδυναμική Θεωρία) ότι μπορεί να αποκτούν μερικές φορές αρκετή ενέργεια ώστε να διασπώνται σε ένα κουάρκ και σε ένα αντικουάρκ, διαθέτοντας και κάποια μικρή σχετικά ορμή. Οι πειραματικοί φυσικοί ήδη από τις αρχές του 21ου αιώνα το είχαν διαπιστώσει αυτό και τώρα ξέρουμε πως μέσα στο πρωτόνιο σε κάποιες στιγμές έχουμε μια θάλασσα από κουάρκ, γκλουόνια, αντικουάρκ, σε ακαθόριστο αριθμό, να συμβάλλουν όλα μαζί στη συνολική ορμή του πρωτονίου. Και δεν είναι μόνο αυτό. Από τους έξι διαφορετικούς τύπους κουάρκ εμφανίζονται πιο πολύ όσα ανήκουν στην κατηγορία «γοητευτικό» (charm). Αυτά όμως έχουν σχεδόν 500 φορές μεγαλύτερη μάζα από τα «άνω» και κάτω» κουάρκ. Με αποτέλεσμα ξαφνικά το ηλεκτρόνιο-βλήμα να βρίσκεται αναπάντεχα μπροστά σε πέντε κουάρκ κατανεμημένα σε δύο ομάδες. Τη μια να αποτελούν ένα «πάνω», ένα «κάτω», ένα «γοητευτικό» και την άλλη ένα «πάνω» και ένα «γοητευτικό» αντικουάρκ. Και όλο αυτό το πακέτο με πολύ μεγάλη συνολικά μάζα. Αρα οι συγκρούσεις και οι «φωτογραφίες» που προκύπτουν είναι ποικίλες και εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες. Ετσι το «σταθερότατο» κατά τα άλλα πρωτόνιο διατηρεί ακόμη αρκετά μυστήρια συμπεριφοράς.Απέναντι στην παραπάνω εικόνα ο συνομιλητής μας παραμένει ψύχραιμος διότι υπάρχουν αρκετές ενδείξεις πλέον για το ευμετάβλητο και την ποικιλομορφία στο εσωτερικό των πρωτονίων. Εχουμε ακόμη πολλά να κατανοήσουμε σχετικά και γι’ αυτό κλείνει τη συζήτηση εκφράζοντας την άποψη πως, αν εκείνη η μικρή απόκλιση στην προαναφερόμενη μέτρηση δεν είναι αποτέλεσμα στατιστικής διακύμανσης, ίσως ανοίγει την πόρτα για καινούργια Φυσική.

https://www.tovima.gr/printed_post/taksidi-lfsto-kentro-lftou-protoniou/

Δροσος Γεωργιος · Φεβρουάριος 21, 2023

Έχει δημιουργήσει κανείς μαύρη τρύπα στη Γη;

Η δημιουργία μιας μαύρης τρύπας σε εργαστήριο είναι πέρα από την τρέχουσα τεχνολογία, αλλά θα μπορούσε να γίνει πραγματικότητα στο μέλλον

Στη λαϊκή φαντασία, οι μαύρες τρύπες είναι αδηφάγα τέρατα που καταβροχθίζουν οτιδήποτε βρίσκεται κοντά τους. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο υπάρχουν σποραδικές ανησυχίες ότι οι φυσικοί μπορεί να δημιουργήσουν κατά λάθος ή και σκόπιμα μια μαύρη τρύπα, ίσως μέσα από τις συγκρούσεις σωματιδίων σε έναν επιταχυντή όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN. Θα κατάπινε την ίδια τη Γη ένα τόσο σκοτεινό μεγαθήριο; Όχι ακριβώς. Κανείς δεν έχει δημιουργήσει ποτέ μαύρη τρύπα στον πλανήτη μας μέχρι τώρα. Αλλά ακόμα κι αν το έκανε, μάλλον δεν θα αποτελούσε τεράστια απειλή.

Οι μαύρες τρύπες του πραγματικού κόσμου είναι τρομακτικές διότι αν τις πλησιάσετε πάρα πολύ, δεν θα μπορέσετε να ξεφύγετε ποτέ από αυτές. Αλλά ακόμα κι αν κάποιος δημιουργούσε μια μαύρη τρύπα σε ένα εργαστήριο στη Γη, «θα είχε τόσο μικρή μάζα, που η βαρυτική της επίδραση θα ήταν σχετικά μικρή», σύμφωνα με τον Eliot Quataert, θεωρητικό αστροφυσικό του Πρίνστον. «Δεν θα καταβρόχθιζε μεγάλη ποσότητα ύλης».Στην πραγματικότητα, η δημιουργία μιας μαύρης τρύπας σε ένα εργαστήριο είναι ένας στόχος που επιδιώκουν ενεργά οι φυσικοί – ένας στόχος που θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να απαντήσουν σε πολλά θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την κβαντική μηχανική και τη φύση της βαρύτητας.Μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται συνήθως όταν πεθαίνει ένα άστρο πολύ μεγαλύτερο από τον ήλιο μας. Προς το τέλος της ζωής του τα εξωτερικά στρώματα ενός τέτοιου άστρου εκρήγνυνται προς τα έξω προκαλώντας ένα θεαματικό σουπερνόβα, ενώ ο πυρήνας του συμπιέζεται προς τα μέσα – προς το κέντρο του – τόσο ισχυρά που καμία γνωστή δύναμη στο σύμπαν δεν μπορεί να το σταματήσει. Έτσι προκύπτει ένα υποατομικό σημείο τεράστιας μάζας και ασύλληπτης πυκνότητας, του οποίου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που ακόμη και το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από την έλξη του. Αυτού του είδους οι μαύρες τρύπες είναι κάτι το συνηθισμένο στο σύμπαν μας.Βεβαίως, εφόσον κάτι δεν πλησιάζει πολύ μια μαύρη τρύπα, παραμένει ασφαλές. Μόνο μέσα σε ένα σφαιρικό όριο που περιβάλλει τη μαύρη τρύπα, γνωστό ως ορίζοντας γεγονότων, ένα άτομο ή ένα αντικείμενο θα έλκονταν αμετάκλητα προς το εσωτερικό της. Οι τεράστιες μαύρες τρύπες έχουν μεγάλο ορίζοντα γεγονότων —με διάμετρο εκατομμυρίων χιλιομέτρων— ενώ οι μικρότερες έχουν ορίζοντες γεγονότων που εκτείνονται μόλις δεκάδες χιλιόμετρα. Αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε μια μαύρη τρύπα σε ένα εργαστήριο που θα ζύγιζε μόνο μισό κιλό, θα είχε έναν ορίζοντα γεγονότων ένα τρισεκατομμύριο φορές μικρότερο από το εύρος του πρωτονίου.Οι φόβοι για τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας από τον LHC προήλθαν από το γεγονός ότι στην ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η μάζα (m) και η ενέργεια (Ε) είναι ισοδύναμα – εξού και η πασίγνωστη εξίσωση E = mc², όπου c η ταχύτητα του φωτός. Επειδή σε έναν υπερεπιταχυντή συγκρούονται πρωτόνια με απίστευτες ταχύτητες (κοντά στην ταχύτητα του φωτός) και ενέργειες, όλα τα είδη περίεργων και εξωτικών σωματιδίων μπορούν να εμφανιστούν, συμπεριλαμβανομένης πιθανώς και μιας μαύρης τρύπας. Αλλά η δημιουργία μιας μαύρης τρύπας με έστω και μικροσκοπικό ορίζοντα γεγονότων θα απαιτούσε δισεκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που μπορεί να παράξει σήμερα ο LHC. Ακόμα κι αν μπορούσε να δημιουργήσει μια τέτοια μαύρη τρύπα, αυτό το αντικείμενο θα έχανε γρήγορα ενέργεια και θα εξαφανιζόταν εν ριπή οφθαλμού.Πριν από την λειτουργία του LHC, το 2008, ορισμένοι ερευνητές είχαν υποθέσει ότι, αν o χωροχρόνος είχε επιπλέον διαστάσεις όπως υποθέτει η θεωρία των χορδών – μια θεωρία που επιχειρεί να συγχωνεύσει την κβαντική φυσική με την βαρύτητα σε μια ενιαία θεωρία – θα μπορούσε να εμφανιστεί μια μαύρη τρύπα. Αυτό συμβαίνει επειδή στο τετραδιάστατο σύμπαν μας (με τρεις διαστάσεις του χώρου και μία του χρόνου), η βαρύτητα είναι πολύ ασθενής για να σφυρηλατήσει την ύλη προς μια μαύρη τρύπα. Όμως, αν υπάρχουν κι άλλες διαστάσεις, η βαρύτητα μπορεί να μην είναι τόσο ασθενής όπως μας φαίνεται, αφού μέρος της ισχύος της θα μπορούσε να διαφεύγει προς τις άλλες διαστάσεις. Σε ένα τέτοιο σύμπαν, είναι πολύ πιθανό μια μαύρη τρύπα να εμφανιστεί μέσα σε έναν επιταχυντή, αποκαλύπτοντας έτσι τις άγνωστες πτυχές της βαρύτητας. Αυτή η ανακάλυψη θα ήταν «η πιο περίεργη και εντυπωσιακή νέα φυσική που θα μπορούσαμε να δούμε στον LHC», λέει ο Juan Maldacena, θεωρητικός φυσικός στο Πρίνστον.Η ιδέα δημιουργία μαύρης τρύπας στον LHC διαδόθηκε από τα μέσα ενημέρωσης, προκαλώντας πάταγο. Μάλιστα ένας Γερμανός χημικός μάλιστα κατέθεσε μήνυση κατά του CERN στο Ευρωπαϊκό Δικαστήριο Ανθρωπίνων Δικαιωμάτων. Μια ειδική επιτροπή φυσικών είχε ήδη αρχίσει να εξετάζει το θέμα το 2003, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι δεδομένου τα σωματίδια από το διάστημα προσπίπτουν στην ατμόσφαιρα της Γης με ενέργειες πολύ μεγαλύτερες από εκείνες του LHC χωρίς να δημιουργούν μαύρες τρύπες, η πιθανότητα δημιουργίας μαύρης τρύπας στο CERN φαινόταν απίθανη. Η έκθεση της επιτροπής αναθεωρήθηκε και επανεκδόθηκε το 2008 με περισσότερες πληροφορίες για να κατευνάσει τους φόβους του κοινού.Μέχρι σήμερα, δεν έχουν παρατηρηθεί μαύρες τρύπες στον LHC. Κρίμα, γιατί θα επιβεβαίωναν τις προβλέψεις της θεωρίας χορδών, κάτι που «θα ήταν πολύ ωραίο», λέει ο Maldacena, «…αλλά δυστυχώς δεν συνέβη».Κι αν είμαστε πολύ πίσω όσον αφορά την κατασκευή μιας μαύρης τρύπας στο εργαστήριο, σύμφωνα με κάποιους ερευνητές δεν ισχύει το ίδιο όσον αφορά την κατασκευή … σκουληκότρυπας σε κβαντικό υπολογιστή

https://physicsgg.me/2022/12/01/kατασκεύασαν-οι-φυσικοί-μια-σκουληκότ/

https://physicsgg.me/2023/02/21/έχει-δημιουργήσει-κανείς-μαύρη-τρύπα/

Δροσος Γεωργιος · Μάρτιος 6, 2023

Τι είναι το υπολογιστόνιο (ή computronium);

Είναι άλλο ένα στοιχειώδες σωματίδιο;

O όρος υπολογιστόνιο (ή computronium) επινοήθηκε από τους ερευνητές του ΜΙΤ Norman Margolus και Tommaso Toffoli, το 1991, για να δηλώσουν οποιαδήποτε ουσία μπορεί να εκτελέσει υπολογισμούς – να χρησιμοποιηθεί δηλαδή ως «προγραμματιζόμενη ύλη». Πρόκειται για ένα υλικό υπόστρωμα, που εκτός από το να χρησιμοποιηθεί ως συσκευή αποθήκευσης πληροφορίας, μπορεί να επεξεργάζεται πληροφορίες εκτελώντας υπολογισμούς.Η κατασκευή ενός υπολογιστονίου δεν είναι απαραίτητα δύσκολη υπόθεση: αρκεί π.χ. η ουσία να συνδυάζει πολλές πύλες NAND με οποιοδήποτε επιθυμητό τρόπο.

H άψυχη ύλη μπορεί να εκτελέσει πολύπλοκους υπολογισμούς αρκεί να διαταχθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να συνδυάζει λογικές πύλες NAND. Παρακάμπτοντας τις πύλες NAND από μικροσκοπικά τρανζίστορ πυριτίου στους σημερινούς υπολογιστές, μπορούμε πολύ εύκλολα να υλοποιήσουμε πύλες NAND στο σπίτι μας. Πώς; Αρκεί να συνδέσουμε δυο αυτοσχέδιους διακόπτες σε σειρά με μια μπαταρία και ένα καρφί τυλιγμένο με καλώδιο (ηλεκτρομαγνήτης), έτσι ώστε ο ηλεκτρομαγνήτης να έλκει έναν τρίτο διακόπτη όταν θα διαρρέεται από ρεύμα. Αν θεωρήσουμε τους δυο πρώτους διακόπτες ως τα εισαγόμενα μπιτ και τον τρίτο ως το εξαγόμενο μπιτ (0=ανοιχτός διακόπτης, 1=κλειστός διακόπτης), τότε η αυτοσχέδια κατασκευή λειτουργεί ως πύλη NAND: ο τρίτος διακόπτης είναι ανοιχτός μόνο αν οι δυο πρώτοι είναι κλειστοί.

Τα νευρωνικά δίκτυα επίσης μπορούν να λειτουργήσουν ως υπολογιστόνια. Ο Stephen Wolfram έδειξε ότι το ίδιο ισχύει και για απλές συσκευές που ονομάζονται κυτταρικά αυτόματα.Το υπολογιστόνιο αναφέρεται επίσης και ως η κατάλληλη διάταξη της ύλης, ώστε να αποτελεί την καλύτερη δυνατή μορφή υπολογιστικής συσκευής για την συγκεκριμένη ποσότητα ύλης. Με αυτή την έννοια, το υπολογιστόνιο προσεγγίζει το θεωρητικό όριο της υπολογιστικής ισχύος που μπορούμε να επιτύχουμε χρησιμοποιώντας αποδοτικά την ύλη γύρω μας. Κάθε άτομο ενός κομματιού ύλης χρησιμοποιείται κάνοντας υπολογισμούς με τον μέγιστο βαθμό απόδοσης (ελάχιστη ενεργειακή σπατάλη προς θερμική ενέργεια).
Η έννοια του υπολογιστονίου εμφανίζεται (προφανώς) και σε μυθιστορήματα ή ταινίες επιστημονικής φαντασίας, με ευφάνταστο τρόπο μόνο και μόνο για να εξυπηρετήσει την εξέλιξη της μυθοπλασίας.Σίγουρα λοιπόν το υπολογιστόνιο δεν είναι άλλο ένα στοιχειώδες σωματίδιο στον κατάλογο των στοιχειωδών σωματιδίων της καθιερωμένης θεωρίας του μικρόκοσμου της Φυσικής.

https://physicsgg.me/2023/03/05/τι-είναι-το-υπολογιστόνιο-ή-computronium/

Δροσος Γεωργιος · Μάρτιος 24, 2023

Μια νέα μέτρηση της μάζας του μποζονίου W.

… που συμφωνεί με την θεωρία

Το πείραμα CDF (Collider Detector at Fermilab) στις ΗΠΑ, πριν από έναν χρόνο περίπου μέτρησε την μάζα του μποζονίου W βρίσκοντας m_exp=80433,5±9,4 MeV. Η τιμή αυτή ήταν αρκετά μεγαλύτερη από την θεωρητικά αναμενόμενη m_th=80357±6 MeV, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων. Το εντυπωσιακό με την μέτρηση του πειράματος CDF ήταν ότι είχε το μικρότερο σφάλμα από όλες τις προηγούμενες. Όμως, το πιο ακριβές δεν σημαίνει απαραίτητα και το πιο σωστό.Χτες οι ερευνητές του πειράματος ATLAS στο CERN, ανακοίνωσαν την δική τους πειραματική προσέγγιση της μάζας του μποζονίου W στα m_exp=80360±16 MeV, 16% πιο ακριβή σε σχέση την παλαιότερη εκτίμηση του ATLAS το 2017. Η τιμή αυτή συμφωνεί με το Καθιερωμένο Πρότυπο, και προφανώς διαφωνεί με την περσινή ακριβέστερη εκτίμηση του πειράματος CDF.

Η μετρηθείσα τιμή της μάζας του μποζονίου W συγκρίνεται με παλαιότερες μετρήσεις. Οι κάθετες ζώνες δείχνουν την θεωρητική πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου

Τα μποζόνια W, όπως τα περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια με μεγάλη μάζα, είναι τόσο βραχύβια – ζουν μόνο για περίπου 10^-25 δευτερόλεπτα – που οι φυσικοί δεν τα βλέπουν ποτέ απευθείας. Ανιχνεύουν τα προϊόντα διάσπασης του μποζονίου W και μετρούν τη ορμή τους. Αυτό που κάνει τη μέτρηση της μάζας του μποζονίου W τόσο δύσκολη είναι ότι μόνο τα μισά από τα υποπροϊόντα είναι ορατά. Τα μποζόνια W διασπώνται προς ένα νετρίνο που συνοδεύεται από ένα ηλεκτρόνιο ή ένα μιόνιο. Όμως, δεν μπορούμε να μετρήσουμε τα νετρίνα, κι αυτό δημιουργεί το μεγάλο πρόβλημα στον προσδιορισμό της μάζας του W.

Η πειραματική ανακάλυψη του μποζονίου W έγινε το 1983.Το μποζόνιο W^±είναι ένα από τα πέντε σωματίδια που είναι υπεύθυνα για την διάδοση των δυνάμεων της φύσης.
Πρόκειται για ένα ηλεκτρικά φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο (εμφανίζεται με θετικό ή αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο) που μαζί με το ηλεκτρικά ουδέτερο Z μποζόνιο είναι υπεύθυνα για τη τη δύναμη που είναι γνωστή ως ασθενής πυρηνική.
Το μποζόνιο W είναι υπεύθυνο για δύο από τις πιο εκπληκτικές ανακαλύψεις του 20ου αιώνα -ότι η φύση έχει προτίμηση προσανατολισμού δεξιά-αριστερά («χειραλικότητα») και ότι η φυσική της αντι-ύλης είναι ανεπαίσθητα διαφορετική από τη φυσική του κόσμου που βλέπουμε γύρω μας και που αποτελείται από ύλη.
Το σωματίδιο W είναι πολύ βαρύ, πράγμα που σημαίνει ότι οι επιδράσεις του έχουν πολύ μικρό βεληνεκές και ότι είναι πολύ ασθενείς στη κλίμακα ενεργειών της καθημερινής ζωής.
Συνεπώς, η επίδραση αυτών των σωματιδίων είναι δυσδιάκριτη αλλά σημαντική! Για παράδειγμα, το σωματίδιο W μπορεί να αλλάξει τη φύση ενός αλληλεπιδρώντος σωματιδίου, μετατρέποντας ένα ηλεκτρόνιο σε νετρίνο ή ένα «κάτω» κουάρκ σε ένα «άνω» κουάρκ .
Αυτό είναι σημαντικό για την πυρηνική σύντηξη, που δίνει ενέργεια στον ήλιο, αφού αυτή εμπεριέχει την μετατροπή πρωτονίων σε νετρόνια. Τέλος, το σωματίδιο W παρέχει το μόνο κατοχυρωμένο μηχανισμό που επιτρέπει την διαφορετική εξέλιξη της ύλης και της αντιύλης.

Στη νέα ανάλυση, οι φυσικοί του ATLAS επανεξέτασαν τα δεδομένα που είχαν συλλεχθεί το 2011 από τις συγκρούσεις πρωτόνίων σε ενέργεια κέντρου μάζας 7 TeV Χρησιμοποιώντας βελτιωμένες στατιστικές μεθόδους και βελτιώσεις στην επεξεργασία των δεδομένων, κατάφεραν να μειώσουν την αβεβαιότητα της μέτρησης της μάζας του μποζονίου W περισσότερο από 15%. Eστίασαν σε γεγονότα όπου το μποζόνιο W διασπάται σε ηλεκτρόνιο ή μιόνιο (λεπτόνια) και στο αντίστοιχο νετρίνο (του ηλεκτρονίου ή του μιονίου). Η μάζα του μποζονίου W στη συνέχεια προσδιορίστηκε προσαρμόζοντας τις κινηματικές κατανομές των παραγόμενων λεπτονίων στα πειραματικά δεδομένα.

Η ιστορία των μετρήσεων της μάζας του μποζονίου W δεν τελειώνει εδώ. Αναμένονται επιπλέον ανεξάρτητες μετρήσεις και θα χρειαστεί αρκετός χρόνος μέχρι να μέχρι να επέλθει η πειραματική συμφωνία.

Bίντεο: Τo μποζόνιο W ‘ξαναζυγίστηκε’ από το πείραμα ATLAS και βρέθηκε ελαφρύτερο

https://physicsgg.me/2023/03/23/μια-νέα-μέτρηση-της-μάζας-του-μποζονίο/

Δροσος Γεωργιος · Μάρτιος 27, 2023

Ταυτόχρονη παραγωγή τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ.

Το πείραμα ATLAS στο CERN ανακοίνωσε την παρατήρηση της ταυτόχρονης παραγωγής τεσσάρων κορυφαίων (top) κουάρκ. Αυτή είναι μια από τις πιο σπάνιες – και βαρύτερες – διεργασίες που έχουν παρατηρηθεί ποτέ στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), με συνολική μάζα σωματιδίων σχεδόν 700 GeV.

Η μάζα του κορυφαίου κουάρκ 171,2 GeV, είναι συγκρίσιμη με την μάζα του μορίου της καφεΐνης C₈H₁₀N₄O₂ !

Ως το βαρύτερο στοιχειώδες σωματίδιο του Καθιερωμένου Προτύπου, το κορυφαίο κουάρκ θα μπορούσε να δώσει πληροφορίες για την προέλευση της μάζας και το μποζόνιο Higgs. Η μελέτη της παραγωγής τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ είναι ιδιαίτερα συναρπαστική, καθώς η ύπαρξη νέων σωματιδίων ή δυνάμεων θα μπορούσε να αλλάξει την πιθανότητα της ταυτόχρονης παραγωγής τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ, σε σχέση με αυτή που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων.Το πείραμα ATLAS είχε βρει και παλαιότερα στοιχεία για την ταυτόχρονη παραγωγή τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ στα δεδομένα του LHC που συλλεχθηκαν από το 2015 έως το 2018. Αναζητήθηκαν γεγονότα τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ στα οποία τα κορυφαία κουάρκ διασπώνται σε δύο λεπτόνια με το ίδιο φορτίο ή τρία λεπτόνια. Αν και αυτές οι υπογραφές αντιπροσωπεύουν μόνο το 13% όλων των διασπάσεων τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ, επηρεάζονται λιγότερο από το παραγόμενο υπόβαθρο, κάνοντας ευκολότερο τον εντοπισμό του σήματος.Οι φυσικοί του ATLAS μεταξύ άλλων χρησιμοποίησαν στην ανάλυση των δεδομένων μια ευαίσθητη τεχνική μηχανικής μάθησης που ονομάζεται Graph Neural Network (GNN) που ξεκαθαρίζει το σήμα της παραγωγής των 4 κουάρκ από το υπόβαθρο άσχετων και τυχαίων γεγονότων. Στο σχήμα που ακολουθεί βλέπουμε τον διαχωρισμό σήματος-υποβάθρου με τη βοήθεια της GNN (με κόκκινο).

H ταυτόχρονη παραγωγή 4 κορυφαίων κουάρκ είναι 4.000 φορές πιο σπάνια από την παραγωγή του σωματισίου Higgs

Η στατιστική ακρίβεια του σήματος που αποδεικνύει την παραγωγή 4 κορυφαίων κουάρκ ισούται με 6,1 σίγμα – μεγαλύτερη από το όριο των 5 σίγμα που απαιτείται για να θεωρηθεί ότι το σήμα είναι αποτέλεσμα μια τυχαίας σύμπτωσης (5 σίγμα σημαίνει ότι η πιθανότητα το αποτέλεσμα να είναι τυχαίο, ισούται με την πιθανότητα να φέρουμε πάνω από 20 φορές συνεχόμενες κορώνες!). Ο μετρούμενος ρυθμός παραγωγής των τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ είναι 1,9 φορές μεγαλύτερος από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου, μέσα στα όρια των στατιστικών αβεβαιοτήτων.Οι φυσικοί αναζήτησαν επίσης σημάδια νέων φυσικών φαινομένων στην παραγωγή των τεσσάρων κουάρκ, συμπεριλαμβανομένων των ορίων των αποτελεσματικών θεωριών πεδίου και της σύζευξης του κορυφαίου κουάρκ με το μποζόνιο Higgs. Με αυτή τη μέτρηση, το πείραμα ATLAS προσδιόρισε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ του κορυφαίου κουάρκ και του μποζονίου Higgs (κορυφαία σύζευξη Yukawa) είναι μικρότερη κατά 1,8 φορές από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου με στατιστική ακρίβεια 95%.Μελλοντικές μελέτες θα ξεκαθαρίσουν περισσότερο την εικόνα του παρατηρούμενου σήματος, βοηθώντας τους ερευνητές να διαπιστώσουν αν πράγματι ταιριάζει με το Καθιερωμένο Πρότυπο – ή αν υπάρχουν ενδείξεις για νέα φαινόμενα φυσικής που οδηγούν σε βαθύτερη κατανόηση της φύσης του σύμπαντος.

https://physicsgg.me/2023/03/27/ταυτόχρονη-παραγωγή-τεσσάρων-κορυφα/

Δροσος Γεωργιος · Μάιος 2, 2023

Συσσωματώματα νουκλεονίων σε πυρηνικές αντιδράσεις.

Οι συγκρούσεις υψηλής ενέργειας έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό συσσωματωμάτων νουκλεονίων (νετρονίων και πρωτονίων) μέσα στους ατομικούς πυρήνες και την εκπομπή υψηλής ενέργειας σωματιδίων

Οι διάφοροι τύποι πυρηνικών αντιδράσεων αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη του φαινομένου σχηματισμού συμπλεγμάτων νουκλεονίων. Και αντιστρόφως, η παραγωγή συσσωματωμάτων νουκλεονίων είναι απαραίτητη για την ερμηνεία των μηχανισμών αντίδρασης, ειδικά όταν αλληλεπιδρούν ελαφρύτερα συστήματα (A_tot <50)

Όταν δύο πυρήνες ηλίου-4 (⁴He) συγκρούονται μεταξύ τους, σχηματίζουν έναν πυρήνα βηρυλλίου-8 (⁸Be). Kι αν ένας τρίτος πυρήνας ⁴He χτυπήσει αυτόν τον πυρήνα μπορεί να οδηγήσει σε μια διεγερμένη κατάσταση του άνθρακα-12 (¹²C), με τα σωματίδια ⁴He να διατάσσονται σε ένα τακτοποιημένο σύμπλεγμα. Η ομαδοποίηση νετρονίων και πρωτονίων κατά τη διάρκεια συγκρούσεων υψηλής ενέργειας είναι γνωστό ότι καθορίζει τη σταθερότητα των προϊόντων της σύγκρουσης. Αλλά το πώς η ομαδοποίηση επηρεάζει την δυναμική και τα αποτελέσματα των πυρηνικών αντιδράσεων υψηλής ενέργειας παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα. Τώρα ο Catalin Frosin του Πανεπιστημίου της Φλωρεντίας και οι συνεργάτες του παρουσιάζουν πειραματικά δεδομένα που περιγράφουν λεπτομερώς το πώς σχηματίζονται τα προϊόντα αντίδρασης κατά τη διάρκεια αυτού του είδους σύγκρουσης. Τα αποτελέσματα υποστηρίζουν μοντέλα που δείχνουν ότι η αύξηση της ενέργειας σύγκρουσης μπορεί να προκαλέσει την διαδικασία ομαδοποίησης και να οδηγήσει σε εκπομπή ελαφρύτερων, και πιο ενεργητικών σωματιδίων.

FAZIA= 4π A and Z Identification Array

Τα πειράματα προϋποθέτουν βομβαρδισμό στόχων ¹²C με παλμικές δέσμες θείου-32 και νέον-20 (³²S+¹²C και ²⁰Ne+¹²C). Ο Frosin και οι συνεργάτες του ταυτοποίησαν τα θραύσματα που προέκυψαν χρησιμοποιώντας τον FAZIA, έναν ανιχνευτή που σχεδιάστηκε να ανιχνεύει φορτισμένα σωματίδια στην περιοχή της ενέργειας Fermi (20-100 MeV/νουκλεόνιο), Παράλληλα, η ομάδα πραγματοποίησε προσομοιώσεις, είτε θεωρώντας ότι πραγματοποιούνται ομαδοποιήσεις συμπλεγμάτων νουκλεονίων, είτε όχι, για να συγκρίνει τις προβλέψεις των αλληλεπιδράσεων των νουκλεονίων και τις διασπάσεις ασταθών προϊόντων με τα πειραματικά δεδομένα. Τα μοντέλα που περιλάμβαναν τον σχηματισμό συμπλεγμάτων νουκλεονίων προέβλεπαν την παραγωγή σωματιδίων που είναι πιο ενεργητικά – σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Οι ερευνητές απέδωσαν αυτό το φαινόμενο στη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής στις συγκρούσεις νουκλεονίου-νουκλεονίου και νουκλεονίου-συμπλέγματος νουκλεονίων κατά την πρώιμη, δυναμική φάση της αλληλεπίδρασης.Τα ευρήματα αποδεικνύουν την ικανότητα του ανιχνευτή FAZIA να εξάγει ακριβείς πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των πυρηνικών θραυσμάτων. Οι ερευνητές αναφέρουν ότι παρόμοια πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε άλλα εργαστήρια εξέτασαν μόνο pyrhnik;ew αντιδράσεις άνθρακα+άνθρακα (¹²C+¹²C). Η επέκτασή τους σε βαρύτερα αντιδρώντα δίνει ένα ευρύτερο σύνολο πειραματικών δεδομένων για την ερμηνεία των μηχανισμών θρυματισμού.

https://physicsgg.me/2023/05/02/συσσωματώματα-νουκλεονίων-σε-πυρηνι/

Δροσος Γεωργιος · Μάιος 22, 2023

Τι κρύβεται πίσω από το σφαιρικό σχήμα του ηλεκτρονίου.

Η σχεση της σφαιρικότητας του ηλεκτρονίου με την ύπαρξη νέων σωματιδίων.Αν το φορτίο του ηλεκτρονίου δεν ήταν απόλυτα σφαιρικό, θα μπορούσε να αποκαλύψει την ύπαρξη κρυμμένων σωματιδίων. Νέες μετρήσεις δείχνουν ότι τείνει προς την τέλεια σφαιρικότητα.

roundelectrons-bykristinaarmitage-lede-s

Συγκριτικά, αν το ηλεκτρόνιο είχε το μέγεθος της Γης, το πείραμα θα μπορούσε να ανιχνεύσει ένα εξόγκωμα στο μέγεθος ενός μορίου σακχάρου.

Φανταστείτε ένα ηλεκτρόνιο ως ένα σφαιρικό νέφος αρνητικού φορτίου. Αν αυτή η μπάλα ήταν λιγότερο σφαιρική, θα μπορούσαμε να καλύψουμε θεμελιώδη κενά στην κατανόηση της φυσικής, συμπεριλαμβανομένου του γιατί το σύμπαν περιέχει κάτι και όχι τίποτα.Mια μικρή κοινότητα φυσικών κυνηγούσε επίμονα οποιαδήποτε ασυμμετρία στο σχήμα του ηλεκτρονίου τις τελευταίες δεκαετίες. Τα πρόσφατα πειράματα είναι τόσο ευαίσθητα που αν ένα ηλεκτρόνιο είχε το μέγεθος της Γης, θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ένα εξόγκωμα στον Βόρειο Πόλο με το μέγεθος ενός μορίου σακχάρου. Σύμφωνα με τα τελευταίο πείραμα: Το ηλεκτρόνιο είναι ακόμα πιο σφαιρικό.Οι νέες μετρήσεις απογοητεύουν όποιον ελπίζει για σημάδια νέας φυσικής. Αλλά δίνει χέρι βοήθειας στους θεωρητικούς φυσικούς ώστε να περιορίσουν τα μοντέλα τους από υποθετικά σωματίδια και δυνάμεις που θα μπορούσαν να υπάρχουν στο σύμπαν μας.

Λαθροθηρία ελεφάντων

Η καθιερωμένη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων (Καθιερωμένο Πρότυπο) περιγράφει όλα τα σωματίδια που υπάρχουν στον ζωολογικό κήπο του σύμπαντος. Η θεωρία συμφωνεί εξαιρετικά με το πείραμα τις τελευταίες δεκαετίες, αλλά αφήνει μερικούς «ελέφαντες στο δωμάτιο», σύμφωνα με τον Dmitry Budker, φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Berkeley.Η ύπαρξή μας και μόνο είναι απόδειξη ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ατελές, αφού σύμφωνα με τη θεωρία, η Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να είχε παράξει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης – και η μία θα είχε εξολοθρεύσει την άλλη.Το 1967, ο Σοβιετικός φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ πρότεινε μια πιθανή λύση σε αυτό το συγκεκριμένο αίνιγμα. Υπέθεσε ότι πρέπει να υπάρχει κάποια μικροσκοπική διαδικασία στη φύση που φαίνεται διαφορετική αν ιδωθεί αντίστροφα. Με αυτόν τον τρόπο, η ύλη θα μπορούσε να κυριαρχήσει στην αντιύλη. Λίγα χρόνια πριν, οι φυσικοί είχαν ανακαλύψει ένα τέτοιο σενάριο στη διάσπαση του καονίου. Αλλά αυτό από μόνο του δεν ήταν αρκετό για να εξηγήσει την ασυμμετρία.Έκτοτε, οι φυσικοί αναζητούν υπαινιγμούς νέων σωματιδίων που θα μπορούσαν να ανατρέψουν περαιτέρω την κλίμακα. Μερικοί το κάνουν απευθείας, χρησιμοποιώντας τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων – που συχνά διαφημίζεται ως η πιο περίπλοκη μηχανή που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Όμως, τις τελευταίες δεκαετίες, έχει προκύψει μια εναλλακτική λύση σχετικά χαμηλού προϋπολογισμού: διερευνάται πώς τα υποθετικά σωματίδια θα άλλαζαν τις ιδιότητες των γνωστών σωματιδίων. «Βλέπετε ίχνη [της νέας φυσικής], αλλά στην πραγματικότητα δεν βλέπετε αυτό που τα δημιούργησε», λέει ο Michael Ramsey-Musolf, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ. Ένα τέτοιο δυναμικό αποτύπωμα θα μπορούσε να εμφανιστεί στη σφαιρικότητα του ηλεκτρονίου.Η θεωρία υποδεικνύει ότι μέσα στο νέφος αρνητικού φορτίου του ηλεκτρονίου, «εικονικά» σωματίδια εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς. Η παρουσία ορισμένων εικονικών σωματιδίων πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο – σωματίδια που θα μπορούσαν εξηγήσουν την αρχέγονη επικράτηση της ύλης έναντι της αντιύλης – θα έκανε το νέφος του ηλεκτρονίου να έχει αυγουλοειδές σχήμα. Στο ένα άκρο του θα είχε λίγο περισσότερο θετικό φορτίο και στο άλλο περισσότερο αρνητικό, όπως ένα ηλεκρικό δίπολο. Αυτός ο διαχωρισμός φορτίου περιγράφεται από το φυσικό μέγεθος της ηλεκτρικής διπολικής ροπής.Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει μια εξαιρετικά ελάχιστη ηλεκτρική διπολική ροπή για το ηλεκτρόνιο – σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές μικρότερη από εκείνη που μπορούν να ανιχνεύσουν οι τρέχουσες τεχνικές. Έτσι, αν οι ερευνητές εντόπιζαν ένα μακρόστενο σχήμα χρησιμοποιώντας τα σημερινά πειράματα, αυτό θα αποκάλυπτε αναμφίβολα ίχνη νέας φυσικής και θα έδειχνε ότι σίγουρα κάτι λείπει από το Καθιερωμένο Πρότυπο.Για να ερευνήσουν την ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου, οι φυσικοί αναζητούν μια αλλαγή στο σπιν του σωματιδίου. Το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να περιστραφεί εύκολα από μαγνητικά πεδία εξαιτίας της μαγνητικής του ροπής. Ο στόχος αυτών των απλών πειραμάτων είναι να προσπαθήσουν να περιστρέψουν το σπιν χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία εξαιτίας της ηλεκτρικής διπολικής ροπής του ηλεκτρονίου. Αν το ηλεκτρόνιο έχει απόλυτα σφαιρική κατανομή ηλεκτρικού φορτίου, το ηλεκτρικό πεδίο δεν μπορεί να του ασκήσει ροπή και να το περιστρέψει. Αυτό θα συμβεί μόνο στην περίπτωση που υπάρχει ηλεκτρική διπολική ροπή.Το 2011, ερευνητές στο Imperial College του Λονδίνου έδειξαν ότι θα μπορούσαν να ενισχύσουν την ακρίβεια των πειραμάτων αγκυρώνοντας το ηλεκτρόνιο σε ένα βαρύ μόριο. Έκτοτε, παραγματοποιούνται ολοένα και πιο ακριβείς μετρήσεις, όπως στα πρόσφατα πειράματα στο Πανεπιστήμιο Northwestern (πείραμα ACME=Advanced Cold Molecule Electron, όνομα εμπνευσμένο από τις ιστορίες κιινουμένων σχεδίων Road Runner), και στο ινστιτούτο JILA του Πανεπιστημίου του Κολοράντο. Οι μετρήσεις των ανταγωνιστικών ομάδων παρότι την τελευταία δεκαετία έχουν αυξήσει κατά 200 φορές περισσότερο την ευαισθησία των πειραμάτων, δεν εντόπισαν ίχνος ηλεκτρικής διπολικής ροπής στο ηλεκτρόνιο.

Ένας αγώνας προς το άγνωστο

Για να προχωρήσουν την έρευνά τους οι φυσικοί χρειάζονται δύο πράγματα: περισσότερες μετρήσεις και μεγαλύτερο χρόνο μετρήσεων. Οι δύο ερευνητικές ομάδες ακολουθούν αντίθετες προσεγγίσεις. Η ομάδα ACME, η οποία σημείωσε το προηγούμενο ρεκόρ το 2018, δίνει προτεραιότητα στην ποσότητα των μετρήσεων. Δημιουργούν μια δέσμη ουδέτερων μορίων κατά μήκος του εργαστηρίου διερευνώντας δεκάδες εκατομμύρια από αυτά κάθε δευτερόλεπτο, αλλά μόνο για λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου το καθένα. Η ομάδα JILA μετρά λιγότερα μόρια, αλλά για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα: Παγιδεύει μερικές εκατοντάδες μόρια κάθε φορά και στη συνέχεια τα μετράει για έως και τρία δευτερόλεπτα.Η ανίχνευση της σφαιρικότητας του ηλεκτρονίου με μεγάλη ακρίβεια ισοδυναμεί με την αναζήτηση νέας φυσικής σε υψηλότερες ενεργειακές κλίμακες ή την αναζήτηση ύπαρξης βαρύτερων σωματιδίων. Η ακρίβεια που επετεύχθη στα πρόσφατα πειράματα ισοδυναμεί με την έρευνα νέων σωματιδίων σε πειράματα επιταχυντών με ενέργεια μεγαλύτερη των 10¹³ ηλεκτρονιοβόλτ – πάνω από μια τάξη μεγέθους από αυτή που μπορεί να παραγματοποιηθεί στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), μέχρι σήμερα. Πριν από μερικές δεκαετίες, οι περισσότεροι θεωρητικοί περίμεναν ότι θα ανακάλυπταν νέα σωματίδια σε μικρότερες ενέργειες. Κάθε φορά που ανεβαίνει ο πήχης, κάποιες θεωρητικές ιδέες απορρίπτονται.Οι φυσικοί που μελετούν πειραματικά την ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου ελπίζουν στην ανίχνευση κάποιας ελάχιστης παραμόρφωσης στην σφαιρική κατανομή του φορτίου του. Και πιστεύουν ότι θα είναι οι πρώτοι που θα ανακαλύψουν εντελώς νέα και διαφορετικά μονοπάτια προς τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης, προκαλώντας ένα τσουνάμι περαιτέρω ερευνών από άλλα πειράματα.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του quantamagazine με τίτλο»The Electron Is So Round That It’s Ruling Out Potential New Particles»

https://physicsgg.me/2023/05/21/τι-κρύβεται-πίσω-από-το-σφαιρικό-σχήμα/

Κοινοποιήστε:

Δροσος Γεωργιος · Μάιος 29, 2023

Παρατηρήθηκε μιά σπάνια διάσπαση του μποζονίου Higgs

… στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN

Οι πειραματικές ομάδες ATLAS και CMS στο CERN, ένωσαν τις δυνάμεις τους για να ανιχνεύσουν τα πρώτα στοιχεία μιας σπάνιας διάσπασης του μποζονίου Higgs προς ένα μποζόνιο Ζ και ένα φωτόνιο

Υποψήφια γεγονότα της σπάνιας διάσπασης H → Zγ (όπου ένα μποζόνιο Higgs διασπάται σε μποζόνιο Ζ και ένα φωτόνιο (στη συνέχεια το μποζόνιο Ζ διασπάται προς ένα ζεύγος μιονίων), από το πείραμα ATLAS (αριστερά) και το πείραμα CMS (δεξιά).

Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) το 2012 ήταν ένα σημαντικό ορόσημο για την σωματιδιακή φυσική. Έκτοτε τα πειράματα ATLAS και CMS ερευνούν συστηματικά τις ιδιότητες αυτού του μοναδικού σωματιδίου και αναζητούν τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους παράγεται και διασπάται προς άλλα σωματίδια.Στο συνέδριο Large Hadron Collider Physics (LHCP)

https://lhcp2023.ac.rs/

αυτή την εβδομάδα, οι ερευνητές των ομάδων ATLAS και CMS ανέφεραν την συνεργασία τους σχετικά με την ανίχνευση της σπάνιας διάσπασης του μποζονίου Higgs προς ένα μποζόνιο Ζ, τον ηλεκτρικά ουδέτερο φορέα της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και ένα φωτόνιο, που είναι επίσης μποζόνιο-φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Η εν λόγω διάσπαση του μποζονίου Higgs θα μπορούσε να μας δώσει έμμεσες αποδείξεις για την ύπαρξη σωματιδίων πέρα από αυτά που προβλέπονται από την καθιερωμένη φυσική των σωματιδίων (Καθιερωμένο Πρότυπο).Η διάσπαση του μποζονίου Higgs προς ένα μποζόνιο Ζ και ένα φωτόνιο είναι παρόμοια την διάσπασή του προς δύο φωτόνια. Σε αυτές τις διαδικασίες, το μποζόνιο Higgs δεν διασπάται απευθείας σε αυτά τα ζεύγη σωματιδίων. Οι διασπάσεις πραγματοποιούνται διαμέσου ενός ενδιάμεσου «βρόχου» από «εικονικά» σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται στιγμιαία και δεν μπορούν να ανιχνευθούν άμεσα. Αυτά τα εικονικά σωματίδια θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν νέα άγνωστα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το μποζόνιο Higgs.Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει ότι αν το μποζόνιο Higgs έχει μάζα περίπου 125 GeV (δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ), περίπου το 0,15% των μποζονίων Higgs θα διασπαστούν προς μποζόνιο Ζ και φωτόνιο. Αλλά ορισμένες θεωρίες που «προεκτείνουν» το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπουν διαφορετικό ρυθμό διάσπασης. Επομένως, η μέτρηση του ρυθμού διάσπασης παρέχει πολύτιμες γνώσεις τόσο για τη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο όσο και για τη φύση του μποζονίου Higgs.Παλαιότερα χρησιμοποιώντας δεδομένα από συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων στον LHC, τα πειράματα ATLAS και το CMS διεξήγαγαν ανεξάρτητα εκτεταμένες έρευνες για την διάσπαση του μποζονίου Higgs σε ένα μποζόνιο Ζ και ένα φωτόνιο. Και τα δύο πειράματα χρησιμοποίησαν παρόμοιες στρατηγικές, εντοπίζοντας το μποζόνιο Ζ μέσω των διασπάσεων του σε ζεύγη ηλεκτρονίων ή μιονίων. Αυτές οι διασπάσεις του μποζονίου Ζ συμβαίνουν στο 6,6% περίπου των περιπτώσεων.Στη νέα μελέτη, ATLAS και CMS ένωσαν τις δυνάμεις τους για να μεγιστοποιήσουν το αποτέλεσμα της αναζήτησής τους. Συνδυάζοντας τα πειραματικά δεδομένα που συλλέχθηκαν και από τα δύο πειράματα στο χρονικό διάστημα από το 2015 έως το 2018, αύξησαν σημαντικά τη στατιστική ακρίβεια και την εμβέλεια των αναζητήσεών τους.Αυτή η συλλογική προσπάθεια έδωσε τα πρώτα δεδομένα της διάσπασης του μποζονίου Higgs προς ένα μποζόνιο Ζ και ένα φωτόνιο. Η παρατήρηση έχει στατιστική ακρίβεια 3,4 σίγμα, κάτω από το όριο των 5 σίγμα που παραδοσιακά απαιτείται για να γίνει αποδεκτή μια πειραματική ανακάλυψη. Ακρίβεια 5 σίγμα σημαίνει ότι υπάρχει ελάχιστη πιθανότητα, 1 στα 3,5 εκατομμύρια, η ανακάλυψη να είναι μια στατιστική διακύμανση των μετρήσεων. Ο μετρούμενος ρυθμός σήματος είναι μεγαλύτερος από την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου, με στατιστική ακρίβεια 1,9 σίγμα.

screenshot-from-2023-05-24-00-47-42_0.pn

Το μικρό «καρούμπαλο» στα 125 GeV αποδεικνύει την διάσπαση του σωματιδίου Ηiggs H → Zγ

Σύμφωνα με την ερευνήτρια του ATLAS, Pamela Ferrari: «Κάθε σωματίδιο έχει μια ειδική σχέση με το μποζόνιο Higgs, καθιστώντας την αναζήτηση για σπάνιες διασπάσεις Higgs υψηλή προτεραιότητα. Μέσα από έναν σχολαστικό συνδυασμό των επιμέρους αποτελεσμάτων του ATLAS και του CMS, κάναμε ένα βήμα προς τα εμπρός για την αποκάλυψη ενός ακόμη γρίφου του μποζονίου Higgs».Από την πλευρά του πειράματος CMS, η ερευνήτρια Florencia Canelli δήλωσε: «Η ύπαρξη νέων σωματιδίων θα μπορούσε να έχει πολύ σημαντικές επιπτώσεις στους σπάνιους τρόπους διάσπασης του Higgs. Αυτή η μελέτη είναι ένας ισχυρός έλεγχος του Καθιερωμένου Προτύπου. Μελετώντας τα νέα δεομένα του LHC, θα είμαστε σε θέση να βελτιώσουμε την ακρίβεια αυτού του ελέγχου και να ανιχνεύσουμε όλο και πιο σπάνιες διασπάσεις του Higgs».

διαβάστε περισσότερα:
1. LHC experiments see first evidence of a rare Higgs boson decay
2. LHC EXPERIMENTS SEE FIRST EVIDENCE FOR RARE HIGGS BOSON DECAY INTO TWO DIFFERENT BOSONS
3. LHC experiments see first evidence for rare Higgs boson decay into two different bosons

https://physicsgg.me/2023/05/26/παρατηρήθηκε-μιά-σπάνια-διάσπαση-του/

Δροσος Γεωργιος · Ιούνιος 8, 2023

Η πρώτη ακτινογραφία ενός μεμονωμένου ατόμου.

Για πρώτη φορά μελετήθηκε ένα και μόνο άτομο με ακτίνες Χ

Μια ομάδα φυσικών καθοδηγούμενη από τον Saw Wai Hla συνέλαβε την ΥΠΟΓΡΑΦΗ ενός μόνο ατόμου, κάτι που κανείς μέχρι σήμερα δεν είχε καταφέρει. Αυτό το πρωτοποριακό επίτευγμα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ανιχνεύουν τα υλικά. Σύμφωνα με την εργασία τους [Characterization of just one atom using synchrotron X-rays]

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w

που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, χρησιμοποίησαν μια τεχνική που συνδυάζει την φασματοσκοπία ακτίνων Χ με τη μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (STM=Scanning Tunneling Microscope) για να ταυτοποιήσουν δύο διαφορετικά μεμονωμένα άτομα.

Διάγραμμα της διάταξης SX-STM (Synchrotron X ray – Scanning Tunneling Microscope)

Αφότου ανακαλύφθηκαν οι ακτίνες Χ από τον Roentgen το 1895, χρησιμοποιούνται παντού, από τα ακτινολογικά ιατρεία μέχρι τους ελέγχους ασφαλείας στα αεροδρόμια. Ακόμη και το Curiosity, το διαστημικό όχημα της NASA στον πλανήτη Άρη, είναι εξοπλισμένο με μια συσκευή ακτίνων Χ που εξετάζει την σύνθεση των βράχων στον Άρη.Η τεχνική της φασματοσκοπίας ακτίνων Χ μπορεί όχι μόνο να ανιχνεύσει τα «δακτυλικά αποτυπώματα» συγκεκριμένων χημικών στοιχείων σε ένα δείγμα, αλλά επίσης να αποκαλύψει πληθώρα πληροφοριών σχετικά με τις χημικές καταστάσεις και τη δομική διάταξη των ατόμων στο δείγμα. Όμως, μέχρι τώρα χρειάζονταν χιλιάδες άτομα ή μάζα ενός attogram (10⁻¹⁸gr, περίπου 10.000 άτομα) δείγματος, για να ληφθεί ένα αρκετά καθαρό σήμα. Ο Saw-Wai Hla και η ομάδα του από το Πανεπιστήμιο του Ohio και του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne στο Illinois μπόρεσε, για πρώτη φορά, να μετρήσει τα φάσματα ακτίνων Χ μεμονωμένων ατόμων. Η ανακάλυψη επιτεύχθηκε με μια τεχνική που συνδυάζει τη φασματοσκοπία ακτίνων Χ με την κορυφαία τεχνική ανάλυσης ενός ατόμου – μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (STM).Συνήθως τα άτομα μπορούν να απεικονιστούν με μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας, αλλά χωρίς τις ακτίνες Χ κανείς δεν μπορεί να τα αναγνωρίσει. Σύμφωνα με τον Hla τώρα μπορούμε να ανιχνεύσουμε ακριβώς τον τύπο ενός συγκεκριμένου ατόμου, ένα άτομο κάθε φορά, και μπορούμε να μετρήσουμε ταυτόχρονα τη χημική του κατάσταση. Μπορούμε να ανιχνεύσουμε τα υλικά μέχρι το τελικό όριο ενός μόνο ατόμου. Αυτό θα έχει τεράστιο αντίκτυπο στις περιβαλλοντικές και ιατρικές επιστήμες – θα μπορούσε να αλλάξει τον κόσμο!Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν στα πειράματά τους ένα άτομο σιδήρου και ένα άτομο τερβίου, τα οποία εισήχθησαν σε αντίστοιχους μοριακούς ξενιστές. Για την ανίχνευση του σήματος ακτίνων Χ ενός ατόμου, η ερευνητική ομάδα βελτίωσε τους συμβατικούς ανιχνευτές ακτίνων Χ με έναν εξειδικευμένο ανιχνευτή κατασκευασμένο από μια μεταλλική αιχμή τοποθετημένη σε εξαιρετικα μικρή απόσταση από το δείγμα για την συλλογή διεγερμένων ηλεκτρονίων από ακτίνες Χ – μια τεχνική γνωστή ως μικροσκοπία συγχρότρου σάρωσης με ακτίνες Χ ή SX-STM, η οποία χρησιμοποιείται στην άμεση αναγνώριση του στοιχειακού τύπου των υλικών.

Όταν οι ακτίνες Χ (μπλε χρώμα) φωτίζουν ένα άτομο σιδήρου (κόκκινη σφαίρα στο κέντρο του μορίου), διεγείρονται ηλεκτρόνια (όχι σθένους, αλλά εσωτερικά ηλεκτρόνια που δεν συμμετέχουν σε χημικούς δεσμούς). Τα διεγερμένα με ακτίνες Χ ηλεκτρόνια διοχετεύονται στη συνέχεια στην αιχμή του ανιχνευτή (γκρι) διαμέσου επικαλυπτόμενων ατομικών/μοριακών τροχιακών, τα οποία παρέχουν στοιχειακές και χημικές πληροφορίες του ατόμου σιδήρου.

Σύμφωνα με τους Hla et al, τα φάσματα που λαμβάνονται με τη μέθοδο αυτή είναι σαν τα δακτυλικά αποτυπώματα – το καθένα είναι μοναδικό. Η χρήση ακτίνων Χ για την ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό μεμονωμένων ατόμων θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην έρευνα και να γεννήσει νέες τεχνολογίες σε τομείς όπως για παράδειγμα η κβαντική πληροφορία ή η ανίχνευση ιχνοστοιχείων στην περιβαλλοντική και ιατρική έρευνα. Αυτό το επίτευγμα ανοίγει επίσης το δρόμο για προηγμένα όργανα της επιστήμης υλικών.

(Αριστερά) Εικόνα ενός υπερμορίου σε σχήμα δακτυλίου στον οποίο υπάρχει μόνο ένα άτομο σιδήρου (Fe) (Δεξιά) Υπογραφή ακτίνων Χ ενός μεμονομένου ατόμου Fe.

«Έχουμε ανιχνεύσει τις χημικές καταστάσεις μεμονωμένων ατόμων επίσης», λέει ο Hla. Με την σύγκριση των χημικών καταστάσεων ενός ατόμου σιδήρου και ενός ατόμου τερβίου εντός των αντίστοιχων μοριακών ξενιστών, διαπιστώνουμε ότι το άτομο τερβίου, ένα μέταλλο σπανίων γαιών, είναι μάλλον απομονωμένο και δεν αλλάζει τη χημική του κατάσταση, ενώ το άτομο σιδήρου αλληλεπιδρά έντονα με το περιβάλλον του.Πολλά υλικά σπανίων γαιών χρησιμοποιούνται σε καθημερινές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές και τηλεοράσεις, για να αναφέρουμε μερικά, και είναι εξαιρετικά σημαντικά για τη δημιουργία και την πρόοδο της τεχνολογίας. Με τη νέα μέθοδο οι επιστήμονες μπορούν πλέον να αναγνωρίσουν όχι μόνο τον τύπο του στοιχείου αλλά και τη χημική του κατάσταση, κάτι που θα τους επιτρέψει να χειριστούν καλύτερα τα άτομα μέσα σε διαφορετικούς ξενιστές υλικών και να καλύψουν τις συνεχώς μεταβαλλόμενες ανάγκες σε διάφορους τομείς. Επιπλέον, έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο που ονομάζεται X-ERT (X-ray excited resonance tunneling), που τους επιτρέπει να ανιχνεύουν πώς τα τροχιακά ενός μόνο μορίου προσανατολίζονται σε μια επιφάνεια υλικού χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ συγχρότρου.Το επίτευγμα των Hla et al ανοίγει πολλές συναρπαστικές ερευνητικές κατευθύνσεις, συμπεριλαμβανομένης της έρευνας για τις κβαντικές ιδιότητες (σπιν) ενός μόνο ατόμου.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. Samantha Pelham, ‘Scientists report world’s first X-ray of a single atom in Nature‘
2. Matteo Rini, ‘X-Ray Spectroscopy of a Lone Atom‘

https://physicsgg.me/2023/06/07/η-πρώτη-ακτινογραφία-ενός-μεμονωμένο

Δροσος Γεωργιος · Ιούλιος 3, 2023

Η μάζα του σωματιδίου ταυ και η μυστηριώδης εξίσωση του Koide.

Η μάζα του λεπτονίου ταυ μετρήθηκε πρόσφατα από το πείραμα Belle II με εξαιρετική ακρίβεια. Άραγε, η νέα μέτρηση ενισχύει την πίστη στην περιβόητη εξίσωση του Koide;

Το πείραμα Belle II πραγματοποίησε την ακριβέστερη μέχρι σήμερα μέτρηση της μάζας του λεπτονίου τ. Στην δημοσίευση με τίτλο «Measurement of the τ-lepton mass with the Belle~II experiment» παρουσιάζεται μια μέτρηση της μάζας λεπτονίου τ που βασίστηκε σε ένα σύνολο περίπου 175 εκατομμυρίων γεγονότων της αντίδρασης e⁺e⁻→τ⁺τ⁻ που συλλέχθηκαν με τον ανιχνευτή Belle II στον επιταχυντή SuperKEKB όπου πραγματοποιήθηκαν οι συγκρούσεις e⁺e⁻ σε ενέργεια κέντρου μάζας 10,579 GeV. Η μάζα του λεπτονίου τ που μετρήθηκε είναι: m_τ = 1777,09 ± 0,08 ± 0,11 MeV/c² όπου το πρώτο σφάλμα είναι το στατιστικό και το δεύτερο το συστηματικό. Επομένως, m_τ =1777,09 ± 0,14 MeV/c².

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, μια μάλλον άσχημη θεωρία, περιγράφει με καλή προσέγγιση μέσα σε ορισμένα όρια, τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των θεμελιωδών σωματιδίων διαμέσου των ηλεκτρομαγνητικών, ασθενών πυρηνικών και ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων.Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, υπάρχουν δώδεκα διαφορετικοί τύποι στοιχειωδών σωματιδίων: έξι κουάρκ και έξι λεπτόνια. Παρά τις επιτυχίες του, το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν είναι πλήρες, καθώς δεν εξηγεί την βαρυτική αλληλεπίδραση, ούτε την σκοτεινή ύλη ή την σκοτεινή ενέργεια, που πιστεύεται ότι αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της ύλης και της ενέργειας στο σύμπαν.Οι έξι γνωστοί τύποι λεπτονίων διατάσσονται σε τρεις γενιές ή «γεύσεις»: το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο του ηλεκτρονίoυ, το μιόνιο και το νετρίνο του μιονίου και το ταυ με το νετρίνο του ταυ:

Το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και το ταυ φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, ενώ τα αντίστοιχα νετρίνα, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Το λεπτόνιο ταυ ανακαλύφθηκε από μια σειρά πειραμάτων μεταξύ 1974 και 1977 στο ερευνητικό κέντρο SLAC στις Ηνωμένες Πολιτείες. Οι φυσικοί μελετούν τις ιδιότητές του εδώ και δεκαετίες ώστε να κατανοήσουν καλύτερα τη συμπεριφορά του. Το λεπτόνιο τ είναι παρόμοιο με τα άλλα δύο φορτισμένα λεπτόνια, αλλά είναι πολύ βαρύτερο – περίπου 3.477 βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο και περίπου 17 φορές βαρύτερο από το μιόνιο. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα ελαφρύτερα ξαδέρφια του (ηλεκτρόνιο και μιόνιο), κάποιες ιδιότητες του λεπτονίου τ, όπως η μάζα του, δεν έχουν ακόμη μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια.Οι ιδιότητες του ταυ είναι πολύ πιο δύσκολο να μελετηθούν από εκείνες του ηλεκτρονίου και του μιονίου, επειδή το σωματίδιο τ έχει μικρό χρόνο ζωής. Ενώ τα ηλεκτρόνια είναι σταθερά σωματίδια, η διάρκεια ζωής του μιονίου είναι περίπου 2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου και η διάρκεια ζωής του ταυ είναι μικρότερη κατά 10 εκατομμύρια φορές! Σε περίπου 2,9×10^-13 δευτερόλεπτα, το λεπτόνιο ταυ διασπάται σε ένα μποζόνιο W και ένα νετρίνο του ταυ.

Το μποζόνιο W, με τη σειρά του, μεταπίπτει είτε προς σε ένα ζεύγος κουάρκ – το οποίο δεν μπορεί να υπάρξει μεμονωμένα, αλλά πρέπει πάντα να συζευχθεί με άλλα κουάρκ για να σχηματίσει σύνθετα σωματίδια όπως τα μεσόνια – είτε προς ένα ζεύγος λεπτονίων – ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου ή ένα μιόνιο και ένα νετρίνο μιονίου. Υπάρχουν πάντα νετρίνα που εμπλέκονται στις διασπάσεις του σωματιδίου τ που όμως είναι αδύνατον να ανιχνευθούν με την τρέχουσα τεχνολογία. Για τους φυσικούς αυτό σημαίνει ότι μπορούν να πάρουν πληροφορίες για το σωματιδιο τ μόνο από ένα υποσύνολο των προϊόντων της διάσπασης. Έτσι, η μελέτη των ιδιοτήτων του λεπτονίου ταυ αποτελεί μια πρόκληση για τους φυσικούς των σωματιδίων. Ωστόσο, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τις ιδιότητες του σωματιδίου τ, όπως η μάζα, με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια για τον έλεγχο του Καθιερωμένου Προτύπου αλλά και την αναζήτηση ενδείξεων νέας φυσικής πέρα από αυτό.Για παράδειγμα, υπάρχει μια προβλεπόμενη σχέση μεταξύ του ρυθμού διάσπασης του σωματιδίου τ προς ένα ελαφρύτερο λεπτόνιο και του χρόνου ζωής του για μια δεδομένη μετρούμενη μάζα ταυ. Αυτή η σχέση είναι πολύ ευαίσθητη στην τιμή της μάζας του. Χρησιμοποιώντας την μέση τιμή των μετρήσεων της μάζας του ταυ, 1776,86 ± 0,12 MeV/c², από τα παλαιότερα πειράματα έως το 2022, οι φυσικοί βρίσκουν μια μικρή διαφορά σε σχέση με τη νέα μετρηθείσα τιμή. Αν αυτή η τάση αυξηθεί με πιο ακριβείς μετρήσεις, αυτό θα μπορούσε να σηματοδοτήσει την εμφάνιση νέας φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.Για την νέα μέτρηση της μάζας του σωματιδίου τ, οι φυσικοί μελέτησαν τις διασπάσεις του προς τρία πιόνια και ένα νετρίνο του ταυ. Έτσι προέκυψε η τιμή m_τ = 1777,09 ± 0,08 ± 0,11 MeV/c². Αυτή η μέτρηση εμφανίζει το μικρότερο σφάλμα από όλες τις προηγούμενες μετρήσεις.

Η μυστηριώδης εξίσωση του Koide

Το 1981 ο Yoshio Koide ανακάλυψε μια ανεξήγητη εμπειρική εξίσωση που συνδέει τις μάζες των τριών λεπτονίων, του ηλεκτρονίου, του μιονίου και του ταυ, ως εξής:

$Q=\frac{m_{e} + m_{\mu} + m_{\tau}}{(\sqrt{m_{e}} + \sqrt{m_{\mu}} +\sqrt{m_{\tau}})^{2}} =0,666661(7) \cong \frac{2}{3}$

όπου m_e = 0.510998946(3) MeV/c², m_μ = 105.6583745(24) MeV/c², και m_τ = 1776.86(12) MeV/c² (η αποδεκτή τιμή της μάζας του τ μέχρι το 2022).Ας σημειωθεί ότι αν α, b και c τρεις τυχαίοι θετικοί αριθμοί, τότε η ποσότητα $Q= \frac{a + b + c}{(\sqrt{a} + \sqrt{b} +\sqrt{c})^{2}}$ παίρνει τιμές στο εύροςι: $\frac{1}{3} \leq Q \leq 1$ .Παρατηρείστε ότι όταν χρησιμοποιούμε τις μάζες των τριών λεπτονίων προκύπτει η τιμή τιμή 2/3 που είναι ο μέσος όρος των ακραίων τιμών της ποσότητας Q.

Τελικά η νέα μέτρηση ενισχύει την πίστη στην περιβόητη εξίσωση του Koide;

Xρησιμοποιώντας στην σχέση Koide την νέα μέτρηση μάζας m_τ = 1777,09 (μαζί με τις m_e = 0.510998946 και m_μ = 105.6583745) παίρνουμε: Q=0,666673. Αυτή η τιμή είναι μεγαλύτερη από την προηγούμενη, και απομακρύνεται από την αναμενόμενη κατά Koide τιμή Q = 2/3.Προς το παρόν λοιπόν η νέα μέτρηση της μάζας του σωματιδίου ταυ κλονίζει την ισχύ της εξίσωσης Koide, χωρίς όμως να την αποκλείει εντελώς, εξαιτίας του μικρότερου μεν αλλά αρκετά μεγάλου σφάλματος. Έτσι, δεδομένου ότι m_τ =1777,09 ± 0,14, το κάτω όριο της μάζας m_τ=1777,09-0,14=1776,95, δίνει την τιμή Q=0,666666 !!Πάντως, το πιο πιθανό είναι η σχέση Koide να είναι μια σύμπτωση, όπως για παράδειγμα το γεγονός ότι ο λόγος των μαζών πρωτονίου–ηλεκτρονίου ισούται με 6π⁵. Υπενθυμίζεται ότι το 2018 Yoshio Koide στην δημοσίευσή του «What Physics Does The Charged Lepton Mass Relation Tell Us?» , παραθέτει κάποιες νεότερες σκέψεις για την εξίσωσή του.

πηγές:
1. Τau lepton mass is measured at Belle II with the highest precision to date
2. Η σχέση Koide: μια μυστηριώδης εμπειρική εξίσωση

https://physicsgg.me/2023/07/03/η-μάζα-του-σωματιδίου-ταυ-και-η-μυστηρι/

Κοινοποιήστε:

Δροσος Γεωργιος · Ιούλιος 11, 2023

Τα μπλουζ της αντιύλης.

Όταν δεν μετράει υποατομικά σωματίδια στο CERN, ο Στίβεν Γκόλντφαρμπ παίζει στην κιθάρα του τα αγαπημένα του μπλουζ. Εμφανίζεται με το ποδήλατό του και μπορείς να τον φανταστείς να αυτοσχεδιάζει στην πεντατονική κλίμακα και τις υφέσεις της στον τρίτο και τον έβδομο φθόγγο.Όμως, τα πάντα στους χώρους του CERN παραπέμπουν σε συμβατική βιομηχανία, ακόμα και όταν κατεβαίνεις εκατοντάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια για να δεις από κοντά τους ανιχνευτές, το Atlas ή το Alice: τερατώδεις μεταλλικές δομές με άπειρα καλώδια και σύρματα που μπερδεύονται μεταξύ τους.Με το που αρχίζει όμως να μιλάει ο Στίβεν, όρθιος πλάι σε ένα μοντέλο του Atlas από Lego (9.500 κομμάτια…), την πεζή αίσθηση του εργοστασίου αντικαθιστά το δέος. «Εχουμε ανακαλύψει πολλά γύρω από τον υποατομικό κόσμο, αλλά έχουμε ακόμα να μάθουμε. Το Καθιερωμένο Πρότυπο της Φυσικής περιγράφει τη συνηθισμένη ύλη στο σύμπαν. Αλλά αυτή καλύπτει μονάχα το 5% του γνωστού σύμπαντος. Όλο το υπόλοιπο αποτελείται από αυτό που έχουμε ονομάσει “σκοτεινή ύλη” (27% του περιεχομένου του σύμπαντος) και “σκοτεινή ενέργεια” (68%). Οταν οι φυσικοί του μέλλοντος θα πέφτουν πάνω σε αυτούς τους όρους, θα πιστεύουν πως ζούσαμε σε Μεσαίωνα. Όμως, είμαστε ένας πλανήτης πλάι σε ένα από τα εκατό δισεκατομμύρια άστρα του γαλαξία, ενός από τα εκατό δισεκατομμύρια γαλαξίες στο σύμπαν. Δεν είναι λίγο να κατανοείς από τι είναι φτιαγμένο το 5% του σύμπαντος».

Όταν η Θεσσαλονικιά φυσικός Δέσποινα Χατζηφωτιάδη μάς ξεναγεί στον «δικό της» ανιχνευτή, τον Alice, που βρίσκεται κάτω από το έδαφος της Γαλλίας, λέει για τη σκοτεινή ύλη: «Δεν ξέρουμε τι είναι και γι’ αυτό δεν ξέρουμε και πώς να την αναζητήσουμε. Είναι και λίγο κατασκεύασμα στο μυαλό μας, το βέβαιο πάντως είναι πως πρόκειται και για μια αόρατη “κόλλα” που κρατάει τους γαλαξίες μαζί. Παρατηρούμε, δηλαδή, μια μάζα που είναι πολύ περισσότερη από αυτή που ήδη γνωρίζουμε και προκαλεί βαρυτικά αποτελέσματα. Έτσι, δημιουργούμε τεράστιες ενέργειες με επιταχύνσεις για να προκαλέσουμε τη σύγκρουση υποταομικών σωματιδίων και από αυτά που θα προκύψουν βλέπουμε αν έχουμε στα χέρια μας κάτι νέο που ίσως ρίξει φως. Όμως στο CERN, αντί για επιταχύνσεις, κάνουμε και επιβραδύνσεις, για να μελετήσουμε την αντιύλη».

«Άγγελος» και «Δαίμονας»

Στην ταινία «Αγγελοι και δαίμονες» (2009), κάποιοι κλέβουν ένα φιαλίδιο με αντιύλη μέσα από το CERN. Στο τέλος της ταινίας, το φιαλίδιο σπάει στον ουρανό πάνω απ’ το Βατικανό, η αντιύλη μπερδεύεται με την ύλη και η έκρηξη που ακολουθεί θυμίζει τη βιβλική Γένεση – ή τη Μεγάλη Εκρηξη, ό,τι προτιμάτε. Τις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Εκρηξης φαίνεται πως πραγματοποιήθηκε μια μοιραία σύγκρουση ανάμεσα στην ύλη και στην αντιύλη. Αν υπερίσχυε η αντιύλη, δεν θα υπήρχε τίποτα έτσι όπως το γνωρίζουμε σήμερα.H ασυμμετρία ύλης – αντιύλης παραμένει ένα από τα μεγάλα μυστήρια της φυσικής. . Και απασχολεί πάρα πολύ τους φυσικούς στο CERN.Ο φυσικός Μιχάλης Κορατζίνος μάς ξεναγεί μέσα από τα δρομάκια με ονομασίες όπως «Οδός Αϊνστάιν», «Οδός Νιλς Μπορ», «Οδός Βέρνερ Χάιζενμπεργκ». Φωτογραφίζω την ταμπέλα: Aστο «Εργοστάσιο Αντιύλης», μέσα από τα δρομάκια με ονομασίες όπως «Οδός Αϊntimatter Factory.Η ίδια αίσθηση ξανά: παρά την εξωτική του ονομασία, το κτίσμα δείχνει να είναι απλώς ένα βαρετό εργοστασιακό σύμπλεγμα, τόσο απ’ έξω όσο κι από μέσα, όπου βρίσκεται ο ταπεινός επιβραδυντής Elena. «Είναι ένα από τα πιο φθηνά πρότζεκτ στο CERN», λέει ο κ. Κορατζίνος. «Το Elena έχει διάμετρο μόλις δέκα μέτρα. Εδώ δεν επιταχύνουμε αλλά επιβραδύνουμε για να φτάσουμε στην αντιύλη. Είναι μεγάλο “μανίκι” να φτιάξεις ένα άτομο αντιύλης».Εντάξει, αλλά τι σημαίνει «αντιύλη»; «Κάθε συστατικό της ύλης έχει το αντίστοιχό του στην αντιύλη. Αντίθετα με ό,τι πιστεύεται, όμως, η ύλη και η αντιύλη δεν έχουν καμία απολύτως διαφορά. Διαφέρουν σε ορισμένα τεχνικά θέματα όπως είναι τα φορτία τους. Θετικό, αρνητικό. Τι σημαίνει αυτό; Ότι αν εγώ ήμουν φτιαγμένος από αντιύλη, θα είχα το ίδιο βάρος, το ίδιο ύψος κτλ. που έχω και τώρα. Βλέποντας κάποιον που είναι φτιαγμένος από αντιύλη δεν καταλαβαίνεις τίποτα, δεν βλέπεις καμία διαφορά. Ωστόσο, αν ύλη και αντιύλη έρθουν σε επαφή αλληλοεξουδετερώνονται, γίνονται ενέργεια. Ερώτηση: πετάμε, π.χ., προς τα πάνω την αντιύλη: θα έχει αντίθετες ιδιότητες ως προς την ύλη; Η ύλη θα γυρίσει πίσω στη Γη· η αντιύλη; Θα συμπεριφερθεί σαν να υπάρχει αντιβαρύτητα; Η θεωρία λέει πως θα γυρίσει στη Γη. Αλλά δεν το ξέρουμε, πρέπει να γίνουν πειράματα και μετρήσεις. Αυτό κάνουμε εδώ. Είναι μια καταβύθιση στην ύλη».

Κυνήγι 70 ετών

Πώς καταδύεσαι στην ύλη; Όλα ξεκινούν το 1954, με την ίδρυση του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου για την Ατομική Ερευνα (αυτό σημαίνει CERN). Η πρόταση είχε πέσει από τον κορυφαίο φυσικό Λουίς ντε Μπρολί. Μίλησε για τη λειτουργία ευρωπαϊκού εργαστηρίου για αμιγώς ερευνητικούς και ποτέ για στρατιωτικούς σκοπούς. Ως τοποθεσία επιλέγονται τα περίχωρα της Γενεύης, στα σύνορα με τη Γαλλία, στην καρδιά της Ευρώπης.Από το 1957 ξεκινά η παροχή επιταχυντών σωματιδίων για την πειραματική έρευνα στο πεδίο της φυσικής υψηλών ενεργειών. Ο πιο μεγάλος επιταχυντής, που αναπτύσσεται σε κυκλική σήραγγα περιφέρειας 27 χλμ., είναι ο LHC (Μέγας Επιταχυντής Αδρονίων), με «προσδεμένους» επάνω του εννέα σήμερα ανιχνευτές (Atlas, Alice, CMS κ.ά.). Κατά τον Γκόλντφαρμπ, «εάν θες να κοιτάξεις στην πιο μικρή δυνατή ύλη, χρειάζεσαι υψηλές ενέργειες. Οι υψηλές ενέργειες απαιτούν μεγάλο επιταχυντή για να κάνει τα φορτισμένα σωματίδια να καμπυλώσουν σε έναν κύκλο και χρειάζεσαι μεγάλο ανιχνευτή, ο οποίος να “αδράξει” τα σωματίδια και να τα μετρήσεις. Αυτή είναι η δουλειά μου. Μετράω σωματίδια».Σαν να ψάχνεις ψύλλους στ’ άχυρα. «Μιλάμε για χώρους απέραντους ακόμα και στην κλίμακα του απειροελάχιστου», σημειώνει ο Γκόλντφαρμπ. «Τα σωματίδια συχνά δεν πέφτουν το ένα πάνω στο άλλο, αλλά περνούν ανάμεσα, σκορπίζοντας ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Θέλει μεγάλη υπομονή για να συγκρουστούν μεταξύ τους. Και τύχη για να εντοπίσεις από αυτές τις συγκρούσεις κάτι νέο».Το τι ακριβώς συμβαίνει στην καρδιά του ανιχνευτή, οι φυσικοί δεν το βλέπουν ποτέ. Απλώς καταμετρούν και αναλύουν τα αποτελέσματα αυτού που συμβαίνει εκεί μέσα. Πώς το είχε πει χιλιάδες χρόνια πριν ο Ηράκλειτος; «Η φύσις αγαπά να κρύβεται».

Η ανακάλυψη

Στις 4 Ιουλίου του 2012, τα Atlas και CMS ανακοίνωσαν την ανακάλυψη του σωματιδίου Χιγκς, την ύπαρξη του οποίου είχαν προβλέψει θεωρητικά οι Πίτερ Χιγκς, Ρόμπερτ Μπρουτ και Φρανσουά Ανγκλέρ το 1964 (τους απονεμήθηκε το Νομπέλ Φυσικής το 2013). Το μποζόνιο Χιγκς είναι ένα εξαιρετικά ασταθές σωματίδιο, που επιβιώνει μόλις ένα δέκατο του χιλιοστού του δισεκατομμυρίου ενός δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου, καθώς διασπάται αμέσως παράγοντας άλλα σωματίδια. Γιατί είναι σημαντικό; Διότι είναι υπεύθυνο για το πώς τα υπόλοιπα θεμελιώδη σωματίδια αποκτούν μάζα χωρίς την οποία δεν θα υπήρχε βαρύτητα στο σύμπαν. Θεωρείται, δηλαδή, το κλειδί της θεμελιώδους δομής της ύλης.Ο κόσμος το γνωρίζει ως «σωματίδιο του Θεού», ονομασία που προήλθε από έναν εκδότη που δεν ήθελε το βιβλίο του φυσικού Λέον Λέντερμαν για το Χιγκς να ονομαστεί «Αναθεματισμένο σωματίδιο», όπως ήθελε ο συγγραφέας. «Το όνομα “σωματίδιο του Θεού” δεν σημαίνει απολύτως τίποτα και έχει φτάσει η ώρα να το ξεπεράσουμε», γράφει στο βιβλίο της «Ποιος κυνηγάει το Χιγκς. Μια οδύσσεια του μικρόκοσμου», η φυσικός Πολίν Γκάνιον (εκδ. Ροπή), προσθέτοντας: «Όντως πρόκειται για το τελευταίο σωματίδιο που χρειαζόταν για να συμπληρωθεί το Καθιερωμένο Πρότυπο, ένα απαραίτητο και πολύ ιδιαίτερο σωματίδιο, αλλά δεν υπάρχει λόγος να υπερβάλλουμε».

Μετά το μποζόνιο

Μισό λεπτό όμως: με την ανακάλυψη του Χιγκς, αυτό ήταν; Έχουμε πλέον μια πλήρη εικόνα του υλικού κόσμου; Από το 2012 έχει φουντώσει η συζήτηση πως «η φυσική τελείωσε». Αρα και το CERN; Κι όμως. Μπορεί το Χιγκς να επιβεβαιώνει τις βασικές αρχές του Καθιερωμένου Προτύπου (ακριβές θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει επιστημονικά τα βασικά συστατικά της ύλης και τις δυνάμεις που δρουν σε αυτά), την ίδια στιγμή όμως επιβεβαιώνει και τις ελλείψεις του. Όπως, π.χ., η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, η αντιύλη ή το μυστήριο της βαρύτητας: «Ενα από τα μεγάλα ερωτήματα είναι πόσο αδύναμη είναι η βαρύτητα στο σύμπαν», τονίζει ο Γκόλντφαρμπ. «Απαιτούνται αστρονομικές ποσότητες ύλης για να γίνει αισθητή η δράση της, εκτός απ’ το ότι είναι η μόνη δύναμη χωρίς γνωστό φορέα δύναμης. Μήπως η πηγή της είναι κάποια άλλη, κρυμμένη διάσταση;». Απάντηση ακόμη δεν υπάρχει…Κατά τον φυσικό και εκδότη Πάνο Χαρίτο και τον Σπύρο Αργυρόπουλο, επίσης φυσικό στο CERN έως πριν από λίγα χρόνια, εκκρεμεί ακόμα η έρευνα πάνω στην ακριβή μάζα του μποζονίου του Χιγκς αλλά και των υπόλοιπων μποζονίων. «Οποιαδήποτε απόκλιση της μάζας που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο και της μάζας που μετράμε θα μπορούσε να είναι ίχνος νέα φυσικής. Έχουμε επίσης τα πρώτα αποτελέσματα μιας νέας γενιάς πειραμάτων που ερευνούν τα λεγόμενα Long Lived Particles, σωματίδια που ζουν αρκετά ώστε να διαφεύγουν από τους υπάρχοντες ανιχνευτές. Τέλος, μόλις ξεκίνησαν οι πρόδρομες εργασίες για τη μελέτη κατασκευής ενός νέου κυκλικού επιταχυντή (FCC) για τη μετά LHC εποχή – δηλαδη για μετά το 2040».

Το CERN είναι το αέναο κυνηγητό της γνώσης. Αλλά όχι μόνον. Το πώς εξελίσσει την τεχνολογία και τις εφαρμογές της έχει (και) πρακτικό αντίκτυπο στις ζωές μας. Δύο πράγματα: πρώτον, η ιατρική. Αυτή τη στιγμή στον πλανήτη λειτουργούν κάπου 10.000 επιταχυντές σωματιδίων (ειδικά αυτοί των αδρονίων) με στόχο τη θεραπεία του καρκίνου: συγκεντρώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας σε ένα μικρό σημείο του χώρου, με αποτέλεσμα να διαλύουν καρκινικά κύτταρα αλλά όχι υγιείς ιστούς.Δεύτερον, στις τηλεπικοινωνίες. Στο Data Center του CERN, η υπεύθυνη επικοινωνίας Μελίσα Γκεϊλάρ μάς δείχνει τον χώρο όπου καθόταν ο Αγγλος Τιμ

Μπέρνερς-Λι, ο οποίος το 1989 εφηύρε το World Wide Web, ενώ εργαζόταν στο CERN. «Εως τότε, τα μηνύματα μεταξύ των φυσικών παραδίδονταν με… ποδήλατα», εξηγεί η Μελίσα. «Ο Λι είχε απογοητευτεί. Το τρομερό είναι πως όταν πρότεινε την ιδέα του, το σύστημα εδώ μέσα αδιαφόρησε αρχικά. Δεν του έδωσε σημασία». Τα υπόλοιπα είναι Ιστορία…

Ίσως σε κάποιο άλλο σύμπαν η ύλη έχασε

Βαθιά μέσα στη Γη, κοιτώντας το Atlas, που έχει περίπου τον μισό όγκο της Νοτρ Νταμ, ρωτώ τον Γκόλντφαρμπ αν απλώς «μετράει σωματίδια», όπως λέει, ή αν έχει χώρο μέσα του για υπαρξιακές αναζητήσεις. Εδώ, τώρα, ο φυσικός «τραγουδάει τα μπλουζ»: «Γιατί ξοδεύουμε όλα αυτά τα χρήματα εδώ; Εάν δεν μπορείς να απαντήσεις σε αυτό το ερώτημα, δεν θα έπρεπε να είσαι εδώ. Με βασάνισε χρόνια αυτό. Μπορούμε να κατανοήσουμε τους βαθύτερους μηχανισμούς του σύμπαντος; Γιατί γνωρίζουμε μονάχα το 5% της ύλης που μας περιβάλλει και που περιέχουμε; Υπάρχει όντως συμμετρία ανάμεσα στην ύλη και στην αντιύλη; Μήπως ζούμε σε ένα πολυ-σύμπαν και στο δικό μας σύμπαν η ζυγαριά έγειρε προς το μέρος της ύλης; Ως φυσικές οντότητες είμαστε πολύ περιορισμένοι και αυτό μάς τρελαίνει. Δεν μπορούμε να διανοηθούμε τι σημαίνει να τρέχεις με την ταχύτητα του φωτός. Και όμως, ο Αϊνστάιν φαντάστηκε ότι καθώς πλησιάζουμε την ταχύτητα του φωτός, ο χρόνος δεν είναι αυτός που ξέρουμε από την καθημερινή μας εμπειρία. Αυτή είναι η πρόκληση για κάθε έναν από εμάς που δουλεύουμε εδώ μέσα».

https://physicsgg.me/2023/07/11/τα-μπλουζ-της-αντιύλης/https://physicsgg.me/2023/07/11/τα-μπλουζ-της-αντιύλης/

Δροσος Γεωργιος · Ιούλιος 24, 2023

Η μάζα του μποζονίου Higgs μετρήθηκε με την μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ.

…. στο πείραμα ATLAS

atlas-higgs_decay_2_photons_0.png?w=1024

Το υποψήφιο μποζόνιο Higgs διασπάται σε δύο φωτόνια στο πείραμα ATLAS.

11 ολόκληρα χρόνια μετά την ανίχνευσή του από τoν Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), το μποζόνιο Higgs εξακολουθεί να βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της έρευνας των στοιχειωδών σωματιδίων. Οι ακριβείς μετρήσεις των ιδιοτήτων αυτού του ξεχωριστού σωματιδίου χρησιμοποιούνται από τους φυσικούς για να ελέγξουν την ισχύ του Καθιερωμένου Προτύπου – την θεωρία που περιγράφει καλύτερα τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις τους. Σύμφωνα με πρόσφατη ανακοίνωση

https://www.leptonphoton2023.org/

της συνεργασίας ATLAS η μάζα του μποζονίου Higgs μετρήθηκε με την μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ.Η μάζα του Higgs δεν προβλέπεται θεωρητικά από το Καθιερωμένο Πρότυπο και προσδιορίζεται πειραματικά. Η τιμή της καθορίζει τις αλληλεπιδράσεις του μποζονίου Higgs με τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια καθώς επίσης και με τον εαυτό του. Η ακριβής γνώση αυτής της θεμελιώδους παραμέτρου είναι το κλειδί θεωρητικών υπολογισμών και προβλέψεων του Καθιερωμένου Προτύπου. Οι αποκλίσεις από αυτές τις προβλέψεις θα σηματοδοτούσαν την παρουσία νέων ή ανεξήγητων φαινομένων. Η μάζα του μποζονίου Higgs είναι επίσης μια κρίσιμη παράμετρος από την οποία εξαρτάται η εξέλιξη και η σταθερότητα του κενού του Σύμπαντος

https://www.leptonphoton2023.org/

.Οι ερευνητικές ομάδες ATLAS και CMS πραγματοποιούν όλο και πιο ακριβείς μετρήσεις της μάζας του μποζονίου Higgs, μετά την ανακάλυψη του σωματιδίου. Η νέα μέτρηση του ATLAS συνδυάζει δύο αποτελέσματα: μια νέα μέτρηση της μάζας μποζονίου Higgs που βασίζεται σε ανάλυση της διάσπασης του σωματιδίου σε δύο φωτόνια υψηλής ενέργειας (το «κανάλι δι-φωτονίων») και μια παλαιότερη μέτρηση μάζας, βασισμένη στη μελέτη της διάσπασής του προς τέσσερα λεπτόνια (το «κανάλι τεσσάρων λεπτονίων»).Από τη νέα μέτρηση στο κανάλι διφωτονίων, προέκυψε μάζα m_H= 125,22 ± 0.,11 (στατιστικό σφάλμα) ± 0,09 (συστηματικό σφάλμα) GeV = 125,22 ± 0,14 GeV (1 GeV=1 δισεκατομμύριo ηλεκτρονιοβόλτ). Με σχετική ακρίβεια 0,11%, αυτό το αποτέλεσμα του καναλιού διφωτονίων είναι η ακριβέστερη μέχρι σήμερα μέτρηση της μάζας του μποζονίου Higgs από ένα μόνο κανάλι διάσπασης.Όταν οι ερευνητές του ATLAS συνδύασαν αυτή τη νέα μέτρηση μάζας στο κανάλι δύο φωτονίων με την προηγούμενη μέτρηση στο κανάλι τεσσάρων λεπτονίων, έλαβαν την τιμή: m_H= 125,11 ± 0,09 (στατ.) ± 0,06 (συστ.) GeV = 125,11 ± 0,11 GeV, με σχετική ακρίβεια 0,09%. Πρόκειται για την ακριβέστερη εκτίμηση αυτής της θεμελιώδους παραμέτρου του Καθιερωμένου Προτύπου.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. ATLAS sets record precision on Higgs boson’s mass
2. ATLAS measures Higgs boson mass with unprecedented precision

https://physicsgg.me/2023/07/22/η-μάζα-του-higgs-μετρήθηκε-με-την-μεγαλύτερ/

Δροσος Γεωργιος · Ιούλιος 31, 2023

Ένα ζεύγος νέων τετρακουάρκ.

Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων του CERN ανίχνευσε δύο νέα τετρακουάρκ με «ανοιχτή γοητεία»

Τα κουάρκ είναι στοιχειώδη σωματίδια της ύλης και δεν μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω. Συγκροτούν μεγαλύτερα σύνθετα σωματίδια, π.χ. τα πρωτόνια και νετρόνια τα οποία περιέχουν τρία κουάρκ ή τα πιόνια και τα καόνια που περιέχουν δυο κουάρκ.Κανείς νόμος της Φυσικής δεν απαγορεύει να υπάρχουν περισσότερα κουάρκ μέσα σε ένα σωματίδιο. Στους επιταχυντές σωματιδίων εμφανίζονται φευγαλέα σωματίδια που συνίστανται από 4 ή και 5 κουάρκ (διαβάστε σχετικά: Νέο τετρακουάρκ που εντοπίστηκε σε συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και Τι είναι τα πεντακουάρκ). Όπως η πρόσφατη ανακάλυψη δύο νέων τετρακουάρκ από την συνεργασία Large Hadron Collider beauty (LHCb) στον LHC του CERN. Η σύνθεση και τα φορτία αυτών των τετρακουάρκ τα καθιστούν κατάλληλα για τον έλεγχο θεωρητικών μοντέλων [1, 2].Το πείραμα LHCb ανέλυσε τα ίχνη που άφησαν φορτισμένα καόνια και πιόνια στους ανιχνευτές, τα οποία είναι τα τελικά προϊόντα των συγκρούσεων πρωτονίου-πρωτονίου. Από αυτά τα ίχνη, ανακατασκευάστηκαν οι αλυσίδες διάσπασης στις οποίες τα ουδέτερα και θετικά φορτισμένα μεσόνια Β, που δημιουργούνται από τις συγκρούσεις πρωτονίων, διασπώνται προς καόνια και πιόνια διαμέσου των ενδιάμεσων καταστάσεων του μεσονίου D. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η περιγραφή της δυναμικής μιας από αυτές τις αλυσίδες διάσπασης απαιτούσε τον φευγαλέο σχηματισμό ενός ζεύγους τετρακουάρκ, πριν σχηματιστεί το μεσόνιο D.Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, δεκάδες υποψήφια τετρακουάρκ έχουν παρατηρηθεί στον LHC και σε άλλους επιταχυντές. Όμως, οι καταστάσεις που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα ξεχωρίζουν, καθώς είναι σπάνια παραδείγματα μεσονίων «ανοιχτής γοητείας», στα οποία υπάρχει ένα γοητευτικό κουάρκ χωρίς το αντίστοιχο γοητευτικό αντικουάρκ. Αυτά τα σωματίδια δίνουν την ευκαιρία να ελεγχθούν οι κανόνες που διέπουν το σχηματισμό αδρονίων. Ένα από τα δύο τετρακουάρκ περιλαμβάνει επίσης το πρώτο παρατηρούμενο μεσόνιο με διπλό φορτίο $T^{a}_{c \bar{s}0}(2900)^{++} ([c \bar{s}u \bar{d}])$ . Καθώς το άλλο τετρακουάρκ είναι ουδέτερο $T^{a}_{c \bar{s}0}(2900)^{0}([c \bar{s} \bar{u}d])$ , η μελέτη του τρόπου με τον οποίο το διαφορετικό φορτίο των δύο συστημάτων επηρεάζει τις ιδιότητές τους μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση των δομών τους.

https://physicsgg.me/2023/07/28/ένα-ζεύγος-νέων-τετρακουάρκ/

Δροσος Γεωργιος · Αύγουστος 17, 2023

Το κυνήγι του «δαίμονα»

Οι φυσικοί επιβεβαιώνουν την προ 67 ετών πρόβλεψη για το σωματίδιο «δαίμονας»

Η χαρακτηριστική διέγερση ενός μετάλλου είναι το πλασμόνιό του, το οποίο είναι μια κβαντισμένη συλλογική ταλάντωση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων του. Το 1956, ο θεωρητικός φυσικός Ντέιβιντ Πάινς (David Pines) προέβλεψε ότι ένας ξεχωριστός τύπος πλασμονίου, που ονομάζεται «δαίμονας», θα μπορούσε να υπάρχει σε τρισδιάστατα (3D) μέταλλα που περιέχουν περισσότερα από ένα είδη φορέων φορτίου. Τα ηλεκτρόνια σε ένα στερεό μπορούν να κάνουν κάτι περίεργο: Αν και κανονικά έχουν μάζα και ηλεκτρικό φορτίο, o Πάινς υποστήριξε πως μπορούν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν ένα σωματίδιο που είναι χωρίς μάζα, είναι ουδέτερο και δεν αλληλεπιδρά με το φως. Χαρακτήρισε το σωματίδιο αυτό «δαίμονα» και έκτοτε έχουν υπάρξει εικασίες πως μπορεί να παίζει σημαντικό ρόλο στις συμπεριφορές ενός μεγάλου εύρους μετάλλων- ωστόσο οι ίδιες αυτές ιδιότητες που το καθιστούν ενδιαφέρουν κάνουν δύσκολο τον εντοπισμό του.Ομάδα ερευνητών της οποίας ηγήθηκε ο Πίτερ Αμπαμόντε, καθηγητής Φυσικής στο University of Illinois Urbana-Champaign κατάφερε να εντοπίσει τον «δαίμονα» του Πάινς 67 χρόνια μετά την εκτίμηση περί της ύπαρξής του. Όπως σημειώνουν οι ερευνητές στο Nature [Pines’ demon observed as a 3D acoustic plasmon in Sr₂RuO₄], χρησιμοποίησαν μια πειραματική τεχνική η οποία διεγείρει απευθείας τις ηλεκτρονικές καταστάσεις ενός υλικού, επιτρέποντάς τους να δουν την «υπογραφή» του «δαίμονα» στο ρουθηνικό στρόντιο.

α) επιφάνεια Fermi που δείχνει τα τρία είδη ηλεκτρονίων, α, β και γ. (β) Απεικόνιση του δαίμονα στο Sr₂RuO₄, ως μια διαμόρφωση των ζωνών γ και β που διατηρεί σταθερή τη συνολική πυκνότητα ηλεκτρονίων.

Μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις στον εν λόγω κλάδο είναι πως τα ηλεκτρόνια χάνουν τη μοναδικότητά τους στα στερεά. Οι ηλεκτρικές αλληλεπιδράσεις τα κάνουν να συνδυάζονται, συνθέτοντας συλλογικές μονάδες. Με επαρκή ενέργεια, τα ηλεκτρόνια μπορούν να σχηματίζουν ακόμα και σύνθετα σωματίδια, τα πλασμόνια, με νέο φορτίο και μάζα που καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις αυτές. Ωστόσο η μάζα είναι συνήθως τέτοια που τα πλασμόνια δεν μπορούν να σχηματιστούν με τις ενέργειες που είναι διαθέσιμες σε θερμοκρασία δωματίου.Ο Πάινς ανακάλυψε ότι υπάρχει μια εξαίρεση στον κανόνα αυτό. Αν ένα στερεό έχει ηλεκτρόνια σε πάνω από μία ενεργειακές μπάντες, όπως συμβαίνει σε πολλά μέταλλα, υποστήριξε, τα πλασμόνιά τους μπορούν να συνδυάζονται και να σχηματίζουν ένα νέο πλασμόνιο που δεν έχει μάζα και είναι ουδέτερο: Πρόκειται για τον προαναφερθέντα «δαίμονα». Οι «δαίμονες» αυτοί δεν έχουν μάζα, μπορούν να σχηματιστούν με οποιαδήποτε ενέργεια, οπότε μπορεί να υπάρχουν σε όλες τις θερμοκρασίες- και αυτό οδήγησε σε εικασίες πως έχουν σημαντική επίδραση στη συμπεριφορά διαφόρων μετάλλων.Η ουδετερότητα του «δαίμονα» σημαίνει πως δεν αφήνει υπογραφή σε συμβατικά πειράματα συμπυκνωμένης ύλης. «Η συντριπτική πλειονότητα των πειραμάτων γίνονται με φως και μετρούν οπτικές ιδιότητες, μα η ηλεκτρική ουδετερότητα σημαίνει πως οι “δαίμονες” δεν αλληλεπιδρούν με το φως» είπε ο Αμπαμόντε, προσθέτοντας ότι χρειαζόταν ένα άλλου είδους πείραμα.Ο ίδιος και οι συνεργάτες μελετούσαν το ρουθενικό στρόντιο για άλλο λόγο: Το μέταλλο είναι παρόμοιο με υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών, χωρίς ταυτόχρονα να είναι. Σε αυτό το πλαίσιο έκαναν την πρώτη έρευνα/ καταγραφή των ηλεκτρονικών του ιδιοτήτων. Η ερευνητική ομάδα του Γιόσι Μαένο, καθηγητή Φυσικής στο Kyoto University, συνέθεσε δείγματα υψηλής ποιότητας του μετάλλου που ο Αμπαμόντε και ο πρώην τελειόφοιτος Αλί Χουσεΐν, εξέτασαν με μια ειδική τεχνική (momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy) η οποία χρησιμοποιεί την ενέργεια από ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται στο μέταλλο για την απευθείας παρατήρηση των χαρακτηριστικών του μετάλλου, περιλαμβανομένων πλασμονίων που σχηματίζονται. Καθώς οι ερευνητές εξέταζαν τα δεδομένα, βρήκαν μια ηλεκτρονική κατάσταση χωρίς μάζα.Ο Χουσεΐν, πλέον ερευνητής στην Quantinuum, λέει πως «αρχικά δεν είχαμε ιδέα τι ήταν. Οι “δαίμονες” δεν είναι mainstream. Η πιθανότητα εμφανίστηκε νωρίς, και βασικά γελάσαμε με αυτήν. Μα καθώς απορρίπταμε ενδεχόμενα αρχίσαμε να υποπτευόμαστε πως βρήκαμε στα αλήθεια τον “δαίμονα”».

https://www.huffingtonpost.gr/entry/to-keneyi-toe-daimona-letheke-epistemoniko-mesterio-dekaetion_gr_64d9fc99e4b077b577037188 – https://mrl.illinois.edu/57513

Κοινοποιήστε:

Δροσος Γεωργιος · Αύγουστος 30, 2023

Η πρώτη ανίχνευση νετρίνων που παράχθηκαν στον επιταχυντή του CERN.

Tα στοιχειώδη σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου

Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα στοιχειώδη σωματίδια που παίζουν σπουδαίο ρόλο στην σωματιδιακή φυσική. Το γεγονός ότι διαθέτουν μικρή μεν, αλλά όχι αμελητέα μάζα, αποτελεί την μοναδική αναμφισβήτητη ανακάλυψη που δείχνει ότι υπάρχει άγνωστη φυσική πέραν του Καθιερωμένου Πρότυπου των στοιχειωδών σωματιδίων (σύμφωνα με το οποίο τα νετρίνα έχουν μηδενική μάζα). Ενώ είναι από τα πιο άφθονα σωματίδια στο σύμπαν, η παρατήρησή τους είναι πολύ δύσκολη αφού αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη, και για τον λόγο αυτό μπορούν να διασχίσουν ανεπηρέαστα ανθρώπους, τοίχους, ακόμη και ολόκληρους πλανήτες.Η ύπαρξη του νετρίνου προτάθηκε στις 4 Δεκεμβρίου του 1930 από τον Wolfgang Pauli σε μια απεγνωσμένη προσπάθεια να εξηγήσει την αρχή διατήρησης της ενέργειας στην διάσπαση βήτα. Ο Enrico Fermi κατάφερε να διατυπώσει μια κομψή θεωρία της διάσπασης β, η οποία περιλάμβανε το σωματίδιο που ονομάστηκε νετρίνο. Κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί ότι αυτό το μικροσκοπικό σωματίδιο θα δημιουργούσε επανάσταση και στην σωματιδιακή φυσική και στην κοσμολογία. Πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι να ανιχνευθεί το νετρίνο, στην δεκαετία του 1950, όταν άρχισαν να παράγεται πολύ μεγάλος αριθμός νετρίνων στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Τον Ιούνιο του 1956, οι Frederick Reines και Clyde Cowan έστειλαν ένα τηλεγράφημα στον Pauli – ότι τα νετρίνα άφησαν τα ίχνη τους στον ανιχνευτή τους. Έτσι αποδείχθηκε ότι το σωματίδιο-φάντασμα ήταν ένα πραγματικό σωματίδιο.Οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει τεράστιους ανιχνευτές με πολύπλοκο εξοπλισμό για να ανιχνεύσουν νετρίνα διαφόρων προελέυσεων. Οι προσπάθειές τους οδήγησαν τελικά στην παρατήρηση νετρίνων που προέρχονται από τον Ήλιο, τις κοσμικές ακτίνες, τα σουπερνόβα και άλλα κοσμικά αντικείμενα, καθώς και από επιταχυντές σωματιδίων και πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Πολύ δύσκολη ήταν η παρατήρηση νετρίνων που παράγονται μέσα σε επιταχυντές, όταν δύο δέσμες σωματιδίων συγκρούονται μεταξύ τους. Όμως, δύο μεγάλα πειράματα, συγκεκριμένα το FASER (Forward Search Experiment) και το SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC, ανίχνευσαν για πρώτη φορά νετρίνα που παράχθηκαν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN στην Ελβετία, χρησιμοποιώντας τους κατάλληλους ανιχνευτές. Τα αποτελέσματα των δύο μελετών τους δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review Letters:
1. Henso Abreu et al, First Direct Observation of Collider Neutrinos with FASER at the LHC, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.031801
2. R. Albanese et al, Observation of Collider Muon Neutrinos with the SND@LHC Experiment, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.031802

Τα νετρίνα παράγονται σε μεγάλη αφθονία στους επιταχυντές πρωτονίων όπως ο LHC. Ωστόσο, μέχρι τώρα, ουδέποτε είχαν παρατηρηθεί άμεσα αυτά τα νετρίνα. Η ασθενέστατη αλληλεπίδραση των νετρίνων με άλλα σωματίδια κάνει την ανίχνευσή τους πολύ δύσκολη και γι’ αυτό είναι τα λιγότερο μελετημένα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου.Τα πειράματα FASER και SND@LHC είναι δύο ξεχωριστές ερευνητικές προσπάθειες που χρησιμοποιούν τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Πρόσφατα, αυτά τα δύο πειράματα παρατήρησαν ανεξάρτητα τα πρώτα νετρίνα που παράχθηκαν στον LHC, κάτι που θα ανοίξει νέους ορίζοντες στην πειραματική έρευνα της σωματιδιακής φυσικής.Το πείραμα FASER ήταν το πρώτο που ανίχνευσε 153 νετρίνα υψηλών ενεργειών στον LHC. Χρησιμοποιήθηκε ένας μικρός και φθηνός ανιχνευτής που κατασκευάστηκε σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Τοποθετήθηκε σε απόσταση 400 μέτρων από το γνωστό πείραμα ATLAS, σε ξεχωριστή σήραγγα.

Ο ανιχνευτής νετρίίνων του πειράμαμτος FASER (Forward Search Experiment)

Τα νετρίνα που ανιχνεύθηκαν από το FASER έχουν την υψηλότερη ενέργεια που έχει καταγραφεί ποτέ σε εργαστηριακό περιβάλλον. Θα μπορούσαν έτσι να ανοίξουν το δρόμο για την μελέτη των ιδιοτήτων των νετρίνων, αλλά και στην αναζήτηση άλλων αγνώστων σωματιδίων.Πολύ σύντομα, αφότου το FASER ανέφερε την πρώτη παρατήρηση των νετρίνων, το πείραμα SND@LHC ολοκλήρωσε την ανάλυσή του, εντοπίζοντας οκτώ επιπλέον γεγονότα παραγωγής νετρίνων στον LHC. Το πείραμα SND@LHC χρησιμοποιεί έναν ανιχνευτή μήκους δύο μέτρων, ειδικά τοποθετημένο σε μια θέση στον LHC όπου η ροή των νετρίνων είναι υψηλή, αλλά προστατεύεται από άλλα προϊόντα της σύγκρουσης των πρωτονίων με 100 μέτρα σκυροδέματος και βράχων.

Ένα τμήμα του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN (αριστερά) και ο ανιχνευτής του πειράματος SND@LHC (δεξιά).

Η παρατήρηση των νετρίνων που παράγονται σε επιταχυντές ανοίγει την πόρτα σε νέες μετρήσεις που θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε μερικά από τα πιο θεμελιώδη αινίγματα του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως, το γιατί υπάρχουν τρεις γενιές σωματιδίων ύλης (φερμιόνια) που φαίνονται να είναι ακριβή αντίγραφα σε όλες τις πτυχές εκτός από τη μάζα τους και θα συμβάλουν επίσης στην καλύτερη κατανόηση της δομής των πρωτονίων που συγκρούονται.Ο ανιχνευτής του πειράματος FASER θα λειτουργήσει για πολλά χρόνια ακόμη και αναμένεται να συλλέξει τουλάχιστον 10 φορές περισσότερα δεδομένα. Ιδιαίτερα συναρπαστικό γεγονός είναι ότι για την τωρινή ανίχνευση νετρίνων χρησιμοποιήθηκε μόνο ένα τμήμα του ανιχνευτή. Τα επόμενα χρόνια, θα χρησιμοποιηθεί ολόκληρος ο ανιχνευτής του FASER, χαρτογραφώντας με εξαιρετική λεπτομέρεια τις αλληλεπιδράσεις νετρίνων υψηλής ενέργειας. Επιπλέον, εξετάζεται το Forward Physics Facility (FPF), μια πρόταση για την κατασκευή ενός νέου υπογείου σπηλαίου στο LHC, το οποίο θα επιτρέψει την ανίχνευση εκατομμυρίων νετρίνων υψηλής ενέργειας, καθώς επίσης την αναζήτηση άλλων ελάχιστα φορτισμένων σωματιδίων και φαινόμενα που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη.

https://www.lehman.edu/faculty/anchordoqui/FPF.html

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: Ingrid Fadelli, ‘The first observation of neutrinos at CERN’s Large Hadron Collider΄ – https://phys.org/news/2023-08-neutrinos-cern-large-hadron-collider.html

Δροσος Γεωργιος · Σεπτέμβριος 24, 2023

Είναι μαγικός ο πυρήνας του οξυγόνου-28;

Ο πυρήνας του oξυγόνου-28 περιέχει 20 νετρόνια και οκτώ πρωτόνια. Αυτό το παράξενο ισότοπο του οξυγόνου αναζητείται εδώ και πολύ καιρό από τους φυσικούς, καθώς οι υποτιθέμενες ασυνήθιστες ιδιότητές του θα τους επέτρεπαν να ελέγξουν τις θεωρίες για το πώς λειτουργούν οι ατομικοί πυρήνες. Μετά από δεκαετίες πειραμάτων, οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι δημιούργησαν το οξυγόνο- 28 και ότι οι ιδιότητές του έρχονται σε αντίθεση με τις θεωρητικές προβλέψεις!

Εντοπίστηκε επιτέλους το σπάνιο ισότοπο οξυγόνου και φαίνεται πως αψηφά τις προσδοκίες των φυσικών. Το οξυγόνο-28 μπορεί να ωθήσει τους φυσικούς να ανανεώσουν τις θεωρίες για το πώς είναι δομημένοι οι ατομικοί πυρήνες.

Το οξυγόνο-28 είναι ένα ισότοπο οξυγόνου που σε σχέση με το κοινό οξυγόνο-16, έχει 12 επιπλέον νετρόνια στον πυρήνα του. Οι επιστήμονες έχουν προβλέψει εδώ και καιρό ότι αυτό το ισότοπο θα έπρεπε να είναι ασυνήθιστα σταθερό. Αλλά οι αρχικές παρατηρήσεις του πυρήνα ²⁸O δείχνουν ότι κάτι τέτοιο δεν ισχύει: διασπάται πολύ γρήγορα μετά τη δημιουργία του, σύμφωνα με την πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Nature (First observation of ²⁸O). Αν τα συμπεράσματα της εν λόγω εργασίας αναπαραχθούν και από άλλες ερευνητικές ομάδες, τότε οι φυσικοί ίσως χρειαστεί να τροποποιήσουν τις θεωρίες που περιγράφουν τον τρόπο δόμησης των ατομικών πυρήνων.Η ισχυρότερη δύναμη στο σύμπαν είναι αυτή που συγκρατεί μαζί τα πρωτόνια και τα νετρόνια στον πυρήνα ενός ατόμου. Οι φυσικοί προσπαθούν να κατανοήσουν όσο το δυνατόν καλύτερα την ισχυρή πυρηνική δύναμη, ωθώντας τους πυρήνες στα άκρα. Ένας δημοφιλής τρόπος γιαυτό είναι να προσθέτουν στους ελαφρούς πυρήνες όπως το οξυγόνο, επιπλέον νετρόνια και να παρατηρούν τι θα συμβεί.Η θεωρία της πυρηνικής φυσικής μας λέει ότι οι ατομικοί πυρήνες με συγκεκριμένο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων είναι εγγενώς σταθεροί. Αυτό συμβαίνει επειδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια γεμίζουν «φλοιούς» στον πυρήνα. Η Maria Goeppert Mayer ήταν η πρώτη που συνειδητοποίησε ότι οι πυρήνες με 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 πρωτόνια ή νετρόνια ήταν ιδιαίτερα σταθεροί. Αργότερα, οι αριθμοί αυτοί έγιναν γνωστοί ως «μαγικοί αριθμοί», όρος που επινόησε ο Eugene Wigner, καθώς ήταν επιφυλακτικός με το πρότυπο των φλοιών που διατύπωσε η Mayer. Όταν ένας πυρήνας έχει μαγικό αριθμό νετρονίων και μαγικό αριθμό πρωτονίων, γίνεται «διπλά μαγικός» – και επομένως πολύ πιο σταθερός.Η πιο άφθονη μορφή του οξυγόνου στη φύση, το ¹⁶O, είναι διπλά μαγική, λόγω των οκτώ πρωτονίων και οκτώ νετρονίων του. Το οξυγόνο-28, με 8 πρωτόνια και 20 νετρόνια, είναι επίσης διπλά μαγικό. Αλλά οι φυσικοί μέχρι τώρα δεν μπορούσαν να το δημιουργήσουν.Η δημιουργία και παρατήρηση του ²⁸O απαιτούσε πολλά πειραματικά ‘κατορθώματα’. Κλειδί ήταν οι ισχυρές ροές ραδιενεργών ισοτόπων που παράγονται από το Riken RI Beam Factory στο Wako της Ιαπωνίας. Οι επιστήμονες εκτόξευσαν μια δέσμη ισοτόπων ασβεστίου-48 σε έναν στόχο βηρυλλίου, δημιουργώντας έτσι το ισότοπο του φθορίου-29 (²⁹F). Ο πυρήνας αυτού του ισοτόπου έχει ένα πρωτόνιο περισσότερο από το ²⁸O αλλά τον ίδιο αριθμό νετρονίων. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες χρησιμοποιώντας ένα παχύ φράγμα υγρού υδρογόνου, έδιωξαν ένα πρωτόνιο από τον πυρήνα του ²⁹F, δημιουργώντας το ²⁸O.

To Riken RI Beam Factory στο Wako, στην Ιαπωνία, δημιουργεί δέσμες ραδιενεργών ισοτόπων

Αυτή η σπάνια μορφή οξυγόνου ήταν πολύ βραχύβια για να παρατηρηθεί άμεσα. Αντίθετα, η ομάδα εντόπισε τα προϊόντα διάσπασής του: το ισότοπο οξυγόνο-24 συν τέσσερα νετρόνια, μια μέτρηση που πριν από μερικά χρόνια φαινόταν αδύνατη. Είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες ανιχνεύουν τέσσερα νετρόνια ταυτόχρονα. Για να παρατηρήσουν μεμονωμένα νετρόνια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν ισχυρό ανιχνευτή που κατασκευάστηκε για αυτόν τον σκοπό. Σε αυτόν τον εξειδικευμένο ανιχνευτή, τα εισερχόμενα νετρόνια αποκαλύπτονται όταν χτυπούν τα πρωτόνιαΠαρόλο που οι φυσικοί δεν κατάφεραν να μετρήσουν την διάρκεια ζωής του ²⁸O, το ισότοπο δεν συμπεριφέρθηκε σαν να ήταν διπλά μαγικό – διαλύθηκε σχεδόν αμέσως μετά την δημιουργία τουΤο ²⁸O δεν είναι η πρώτη παραβίαση της καθολικότητας των μαγικών αριθμών στην πυρηνική φυσική. Μια ομάδα επιστημόνων απέδειξε το 2009 ότι ο πυρήνας ²⁴O – σε αντίθεση με το εγχειρίδιο πυρηνικών κανόνων – συμπεριφέρεται σαν να είναι διπλά μαγικός. Τα 8 πρωτόνια και τα 16 νετρόνια του είναι ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους, δίνοντάς του μια σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής- χρειάζονται περίπου 61 χιλιοστά του δευτερολέπτου για να διασπαστούν οι μισοί από τους πυρήνες ²⁴O. Αυτό σημαίνει ότι σε ορισμένους πυρήνες το 16 θα μπορούσε επίσης να είναι ένας μαγικός αριθμός.Προς το παρόν, το μυστηριώδες ²⁸O εγείρει μια ολόκληρη σειρά ερωτημάτων σχετικά με τις ισχυρές δυνάμεις που συγκρατούν τους πυρήνες. Οι φυσικοί ονειρεύονται τα πιθανά επόμενα βήματα, όπως για παράδειγμα την πιθανή δημιουργία και ανίχνευση του οξυγόνου-30. Επειδή η σταθερότητα διαφορετικών ισοτόπων είναι μια σχετική μέτρηση, θα ήταν χρήσιμο να συγκρίνουμε το ²⁸O με αυτόν τον βαρύτερο, αλλά προς το παρόν αόρατο γείτονα.Είναι τόσο απλό και τόσο περίπλοκο. Πόσα πρωτόνια και νετρόνια μπορούμε να βάλουμε μαζί σε έναν πυρήνα και αυτά να παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους; Προς το παρόν δεν γνωρίζουμε ποιό είναι το τελικό όριο.

πηγές:
1. Rare oxygen isotope detected at last – and it defies expectations – https://www.nature.com/articles/d41586-023-02713-3
2. Physicists finally observe strange isotope Oxygen 28 – raising fundamental questions – https://www.nature.com/articles/d41586-023-0273

Δροσος Γεωργιος · Σεπτέμβριος 24, 2023

Η καμπύλη του συντονισμού και ο χρόνος ζωής των σωματιδίων.

Πως η αβεβαιότητα στην ενέργεια ενός σωματιδίου προσδιορίζει με εξαιρετική ακρίβεια τον χρόνο ζωής ασταθών σωματιδίωνΥπάρχουν σωματίδια που ζουν αιώνια ή για να το πούμε διαφορετικά, ο χρόνος ζωής τους είναι μεγαλύτερος από την ηλικία του σύμπαντος, όπως για παράδειγμα τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια, τα νετρίνα και τα φωτόνια. Όμως, υπάρχουν και σωματίδια τα οποία όπως και οι άνθρωποι, έχουν πεπερασμένο χρόνο ζωής. Πολλά από αυτά πεθαίνουν σχεδόν αμέσως αφού παραχθούν. Για παράδειγμα, ένα ελεύθερο νετρόνιο ζεί περίπου 15 λεπτά, ένα μιόνιο 2,2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, το διάσημο σωματίδιο Higgs ζει λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου ή 1,6×10^-22 δευτερόλεπτα, ενώ τα μποζόνια W⁺, W⁻ και Z⁰ ζουν ακόμα λιγότερο, γύρω στα 10⁻²⁵ δευτερόλεπτα.

Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg

Ένας αναπάντεχος τρόπος για να υπολογίσουμε τον χρόνο ζωής των ασταθών σωματιδίων είναι διαμέσου της κβαντομηχανικής σχέσης: $\Delta E \cdot \Delta t \geq \dfrac{\hbar}{2}$ . Η σχέση αυτή αποκαλείται συχνά «σχέση αβεβαιότητας ενέργειας-χρόνου», ένα παραπλανητικό όνομα, διότι ανακαλεί αδόκιμα την θεμελιώδη κβαντομηχανική σχέση αβεβαιότητας θέσης-ορμής $\Delta p \cdot \Delta t \geq \dfrac{\hbar}{2}$ . Όμως, η σύγκριση είναι άστοχη, εφόσον ο χρόνος δεν είναι παρατηρήσιμο μέγεθος προσαρτημένο σε ένα σωματίδιο. Το νόημα της σχέσης αυτής εξαρτάται από το είδος της μέτρησης που μας ενδιαφέρει. Μια πιο σωστή γραφή της σχέσης αυτής θα ήταν $\Delta E \cdot T \geq \dfrac{\hbar}{2}$ , όπου το Τ συμβολίζει τον χαρακτηριστικό χρόνο μέσα στον οποίο η ενέργεια του κβαντικού συστήματος αλλάζει αξιόλογα.Παραδείγματος χάριν, για ένα άτομο στη θεμελιώδη κατάσταση, το Τ είναι απεριόριστα μεγάλο και η ενέργεια προσδιορίσιμη σχεδόν με όση ακρίβεια θέλουμε. Όπως ακριβώς και με σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, που έχουν μέση διάρκεια ζωής πρακτικά άπειρη και διαθέτουμε όλο το χρόνο για να εκτελέσουμε άμεσα αναρίθμητες μετρήσεις της μάζας τους (ισοδύναμα, της ενέργειας E=mc²) και να προκυψουν τιμές με εξαιρετική ακρίβεια. Η απροσδιοριστία στην ενέργεια (μάζα) που προέρχεται από την σχέση του Heisenberg θα φαίνεται αμελητέα.Αν αντίθετα πρόκειται για ασταθή σωματίδια με πολύ σύντομη μέση διάρκεια ζωής, η μάζα (ενέργεια) τους δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα, διότι ο χρόνος που διαθέτουμε είναι πολύ περιορισμένος. Μπορούμε ωστόσο να μετρήσουμε την ενέργεια των προϊόντων διάσπασης και να βρούμε έτσι τη μάζα του μητρικού σωματιδίου. Το αξιοπρόσεκτο είναι ότι, ακόμα κι αν είχαμε απεριόριστη πειραματική ακρίβεια, κάθε μέτρηση θα έδινε ελαφρώς διαφορετικά αποτελέσματα. Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι στους απειροελάχιστους χρόνους της σύντομης ζωής του αυτό που ‘ταλαντώνεται’ είναι η ενέργεια του μητρικού σωματιδίου.

Μια καμπύλη συντονισμού

Μπορεί να ακούγεται περίεργα, αλλά η αρχή της αβεβαιότητας αποτελεί εργαλείο για τον ακριβή προσδιορισμό του πολύ μικρού χρόνου ζωής βαρέων σωματιδίων που παράγονται σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας επιταχυντών. Η σχέση αβεβαιότητας ενέργειας-χρόνου στη μορφή $\Delta E \cdot T \cong \hbar/2$ , υποδηλώνει ότι για σωματίδια με εξαιρετικά μικρή διάρκεια ζωής, θα υπάρχει σημαντική αβεβαιότητα στη μετρούμενη ενέργεια (μάζα). Έτσι, για ένα σωματίδιο που έχει πεπερασμένη διάρκεια ζωής, η αρχή της αβεβαιότητας θέτει ένα θεμελιώδες όριο στη γνώση της ενέργειάς του για κάθε δεδομένη μέτρηση. Αυτό δεν σημαίνει ότι δεν μπορούμε να μετρήσουμε την ενέργεια με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Μπορούμε να το κάνουμε μετρώντας την ενέργεια πολλές φορές και λαμβάνοντας την μέση τιμή.
Κι όταν ανασυνθέσουμε την τιμή της μάζας (ενέργειας) του αρχικού ασταθούς σωματιδίου, θα βρούμε μια κωδωνοειδή κατανομή πιθανοτήτων, που ονομάζεται καμπύλη συντονισμού ή κατανομή Lorentzian ή Breit-Wigner:

Οι μετρήσεις της ενέργειας (E₀) ενός ασταθούς σωματιδίου καθορίζουν μια κατανομή ενέργειας (natural line shape) που ονομάζεται Breit-Wigner ή Lorentzian

Η κορυφή της καμπύλης αντιστοιχεί στην κεντρική τιμή της μάζας και όσο πιο σύντομη είναι η μέση διάρκεια ζωής του σωματιδίου, τόσο αυξάνεται το εύρος της. Κι εδώ κρύβεται το ιδιοφυές κόλπο.Aν συμβολίσουμε με Γ το πλήρες πλάτος της κατανομής ενέργειας στο ήμισυ της μέγιστης τιμής της (FWHM=Full Width at Half Maximum), η αβεβαιότητα στην ενέργεια εκφράζεται εύλογα ως $\Delta E = \Gamma/2$ και η εξίσωση της αβεβαιότητας που συσχετίζει την μέση διάρκεια ζωής σωματιδίου Τ με το εύρος Γ της κατανομής ενέργειας γράφεται ως $\Gamma \cdot T = \hbar$ .
Αν μετρήσουμε το εύρος Γ της κατανομής, εύκολα υπολογίζουμε τον χρόνο ζωής Τ του σωματιδίου.Το Γ αναφέρεται συχνά ως «φυσικό πλάτος γραμμής (natural line width)». Είναι ένα πολύ σημαντικό μέγεθος στη φυσική των επιταχυντών υψηλής ενέργειας και ο υπολογισμός του από την ανάλυση των πειραμαματικών δεδομένων προσδιορίζει, διαμέσου την σχέσης αβεβαιότητας (Γ∙Τ=h/2π), τους εξαιρετικά μικρούς χρόνους ζωής των παραγόμενων σωματιδίων.

Η σχέση μεταξύ του εύρους Γ (FWHM) και χρόνου ζωής Τ ασταθών σωματιδίων από τον μακρόβιο πυρήνα ²³²Th (που εκπέμπει α σωματίδα) μέχρι το μποζόνιο Ζ⁰ που έχει απειροελέχιστο χρόνο ζωής καθορίζεται από την εξίσωση Γ∙Τ=h/2π

Έτσι λοιπόν, η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg , που φαίνεται να περιορίζει την ικανότητά μας να μετράμε, μετατρέπεται τελικά σε ένα κόλπο για να συλλάβουμε τους απειροελάχιστους χρόνους της ζωής ασταθών σωματιδίων.

Bιβλιογραφία:
1. «Μodern Physics from a to Z⁰» , James William Rohlf – John Wiley & Sons
2. «H προέλευση της μάζας», Γιάννης Ηλιόπουλος, ΠΕΚ
3. «Χρόνος (Από τον μύθο του Κρόνου στο CERN)», Guido Tonelli – εκδόσεις διόπτρα
4. Particle lifetimes from the uncertainty principle – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/parlif.html

Δροσος Γεωργιος · Σεπτέμβριος 28, 2023

Η ελεύθερη πτώση ενός «μήλου αντιύλης»

Το πείραμα ALPHA-g στο CERN μέτρησε την επίδραση της βαρύτητας στην αντιύλη

Αν αφήσετε κοντά στην επιφάνεια της Γης ένα «μήλο από αντιύλη», αυτό θα πέσει ελεύθερα όπως ένα μήλο από κανονική ύλη; Σύμφωνα με την πρώτη απευθείας μέτρηση που πραγματοποιήθηκε φαίνεται πως η αντιύλη αντιδρά στη βαρύτητα όπως ακριβώς και η ύλη.

Με βάση τις τρέχουσες θεωρίες, κατά την Μεγάλη Έκρηξη από την οποία προήλθε το σύμπαν, θα έπρεπε να παραχθούν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Δεν συμβαίνει όμως αυτό. Φαίνεται ότι στο σύμπαν υπάρχει ελάχιστη αντιύλη – και στο πλανητικό μας σύστημα σχεδόν καθόλου. Επιπλέον, η ύλη και η αντιύλη αν έλθουν σε επαφή εξαϋλώνονται.Το πείραμα που έγινε στο CERN (Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών) στην Ελβετία, από την ερευνητική ομάδα Antihydrogen Laser Physics Apparatus (ALPHA) και αφορούσε το αντιυδρογόνο, την αντιύλη του υδρογόνου, του ελαφρύτερου στοιχείου.

Πάνω: Ένα άτομο αντι-υδρογόνου αποτελείται από ένα αρνητικά φορτισμένο αντιπρωτόνιο γύρω από το οποίο περιστρέφεται ένα θετικά φορτισμένο αντι-ηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο). Κάτω: Ένα άτομο του γνωστού μας υδρογόνου αποτελείται από το θετικά φορτισμένο πρωτόνιο γύρω από το οποίο περιστρέφεται ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο

Στη Γη, η περισσότερη αντιύλη που παράγεται με φυσικό τρόπο προέρχεται είτε από κάποια ραδιενεργά στοιχεία, είτε από την κοσμική ακτινοβολία, από σωματίδια που έρχονται από το διάστημα και συγκρούονται με άτομα στην ατμόσφαιρα, δημιουργώντας ζεύγη ύλης-αντιύλης. Αυτή η «νεογέννητη» αντιύλη επιβιώνει μόνο μέχρι να συγκρουστεί με κάποιο άτομο ύλης στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Ωστόσο, αντιύλη μπορεί να παραχθεί και στο εργαστήριο, όπως έγινε με το πείραμα της ALPHA, στο οποίο χρησιμοποιήθηκε αντιυδρογόνο που είχε παραχθεί στο CERN.Το αντιυδρογόνο τοποθετήθηκε σε έναν κύλινδρο, σε συνθήκες κενού, και «παγιδεύτηκε» με μαγνητικά πεδία από πάνω και από κάτω. Οι ερευνητές μείωσαν τα μαγνητικά πεδία μέχρι να ελευθερώσουν την αντιύλη για να παρατηρήσουν εάν θα έπεφτε όταν θα την επηρέαζε η βαρύτητα. Κι αυτό έγινε. Συμπεριφέρθηκε σαν να ήταν υδρογόνο σε παρόμοιες συνθήκες. Τα αποτελέσματα του πειράματος δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature με τίτλο «Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter» .

Οι καλύτερη προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων έδειξε ότι η αντιύλη έπεφτε με επιτάχυνση [0,75 ± 0,13 (στατιστικό σφάλμα + συστηματικό) ± 0,16 (σφάλμα προσομοίωσης)] g, όπου g η τοπική επιτάχυνση της βαρύτητας.

Αναλύοντας τα δεδομένα η επιτάχυνση με την οποία έπεφταν τα άτομα του αντιυδρογόνου ήταν μέσα ατα όρια του σφάλματος, κοντά στην γνωστή μας επιτάχυνση της βαρύτητας. Το αποτέλεσμα αυτό είχε προβλεφθεί στη θεωρία και σε έμμεσα πειράματα, αλλά κανείς δεν είχε κάνει ένα άμεσο πείραμα, αφήνοντας απλώς την αντιύλη να πέσει για να δούμε προς τα πού θα κινηθεί. Το πείραμά ALPHA-g καταρρίπτει τις άλλες θεωρίες που ήθελαν την αντιύλη να συμπεριφέρεται διαφορετικά, σαν να υπήρχε απωθητική αντιβαρύτητα, κινούμενη στο βαρυτικό πεδίο της Γης αντίθετα με την συνηθισμένη ύλη. Μολονότι ο Αϊνστάιν διατύπωσε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας πολλά χρόνια προτού να ανακαλυφθεί η αντιύλη, το 1932, θεωρούσε ότι θα αντιδρούσε στις βαρυτικές δυνάμεις με τον ίδιο τρόπο όπως και η ύλη.Οι επιστήμονες δεν έχουν λύσει ακόμη το αίνιγμα της σπανιότητας της αντιύλης στο σύμπαν. Για παράδειγμα, δεν υπάρχει καμία ένδειξη ότι υπάρχουν γαλαξίες φτιαγμένοι από αντιύλη.«Είναι ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα που αντιμετωπίζουν οι φυσικοί. Αποδεικνύοντας ότι η αντιύλη και η ύλη αντιδρούν ακριβώς το ίδιο στη βαρύτητα, το πείραμα απέκλεισε μια πιθανή εξήγηση για τη σπανιότητα αυτή, ότι δηλαδή η ύλη απώθησε την αντιύλη κατά τη Μεγάλη Έκρηξη λόγω της βαρύτητας.Σύμφωνα με τους ερευνητές του πειράματος ALPHA-g, μας πήρε 30 χρόνια για να μάθουμε πώς να φτιάχνουμε το αντιυδρογόνο, να το κρατάμε και να το ελέγχουμε αρκετά καλά ώστε να μπορούμε πραγματικά να το αφήνουμε να πέφτει ελέυθερα στο πεδίο βαρύτητας της Γης. Το επόμενο βήμα τους είναι να μετρήσουν την επιτάχυνση όσο ακριβέστερα μπορούν, για να επιβεβαιώσουν πέραν κάθε αμφιβολίας, ότι η ύλη και η αντιύλη πέφτουν στο πεδίο βαρύτητας πράγματι με τον ίδιο τρόπο.

Βίντεο: Στο εργοστάσιο της αντιύλης. Το πείραμα ALPHA-g μέτρησε την επίδραση της βαρύτητας στο αντιυδρογόνο

πηγή: https://www.amna.gr/home/article/763524/O-Ainstain-eiche-dikio-i-antiuli-antidra-sti-barutita-opos-kai-i-uli – https://home.cern/news/news/physics/alpha-experiment-cern-observes-influence-gravity-antimatter

Συνδεθείτε

CERN: Ευρωπαϊκος Οργανισμος Στοιχειωδών Σωματιδίων

Προτεινόμενες αναρτήσεις

Η ενεργειακή κρίση «συνθλίβει» τον μεγαλύτερο επιταχυντή σωματιδίων στον κόσμο.

Top Posters In This Topic

Popular Days

Top Posters In This Topic

Popular Days

Posted Images

Από το σταφιδόψωμο στον ατομικό πυρήνα.

Σκοτάδι και στην επιστήμη: Κλείνουν το CERN για εξοικονόμηση ενέργειας

Η γιγάντια εγκατάσταση κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα καταναλώνει έως και 120 megawatt ηλεκτρικής ισχύος.

Γιατί οι επιταχυντές σωματιδίων είναι τα ισχυρότερα μικροσκόπια.

Το πείραμα LHCb έβαλε τα λεπτόνια σε μια σειρά.

Διερευνώντας την πυρηνική άλω.

Νετρίνα, φως και ύλη.

Θεμελιακά σωματίδια και δυνάμεις

Η επανάσταση των νετρίνων και της σχετικότητας

To μοντέλο των περιστρεφομένων λεπτονίων (RLM)

Συμπεράσματα

Ταξίδι στο κέντρο του πρωτονίου

Το μέγεθος ενός πρωτονίου δεν ξεπερνά το ένα χιλιοστό του δισεκατομμυριοστού του μέτρου!

Παρατηρώντας μια έξαρση

Αναπάντητα ερωτήματα

Πειραματική προσέγγιση

«Μετρώντας» τον χαμό!

Έχει δημιουργήσει κανείς μαύρη τρύπα στη Γη;

Τι είναι το υπολογιστόνιο (ή computronium);

Μια νέα μέτρηση της μάζας του μποζονίου W.

Ταυτόχρονη παραγωγή τεσσάρων κορυφαίων κουάρκ.

Συσσωματώματα νουκλεονίων σε πυρηνικές αντιδράσεις.

Τι κρύβεται πίσω από το σφαιρικό σχήμα του ηλεκτρονίου.

Ένας αγώνας προς το άγνωστο

Κοινοποιήστε:

Παρατηρήθηκε μιά σπάνια διάσπαση του μποζονίου Higgs

Η πρώτη ακτινογραφία ενός μεμονωμένου ατόμου.

Η μάζα του σωματιδίου ταυ και η μυστηριώδης εξίσωση του Koide.

Κοινοποιήστε:

Τα μπλουζ της αντιύλης.

«Άγγελος» και «Δαίμονας»

Κυνήγι 70 ετών

Η ανακάλυψη

Μετά το μποζόνιο

Ίσως σε κάποιο άλλο σύμπαν η ύλη έχασε

Η μάζα του μποζονίου Higgs μετρήθηκε με την μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ.

Ένα ζεύγος νέων τετρακουάρκ.

Το κυνήγι του «δαίμονα»

Κοινοποιήστε:

Η πρώτη ανίχνευση νετρίνων που παράχθηκαν στον επιταχυντή του CERN.

Είναι μαγικός ο πυρήνας του οξυγόνου-28;

Η καμπύλη του συντονισμού και ο χρόνος ζωής των σωματιδίων.

Η ελεύθερη πτώση ενός «μήλου αντιύλης»

Δημιουργήστε έναν λογαριασμό ή συνδεθείτε για να σχολιάσετε

Δημιουργία λογαριασμού

Συνδεθείτε

Σημαντικές πληροφορίες